Java 关键字：synchronized详解

向右看齐 2024-02-21 10:13 43阅读 0赞

#### synchronized详解 ####

*  基本使用
 *  源码解析
 *  常见面试题
 *  好书推荐

## 基本使用 ##

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> Java中的synchronized关键字用于在多线程环境下确保数据同步。它可以用来修饰方法和代码块  
> 当一个线程访问一个对象的synchronized方法或代码块时，其他线程将无法访问该对象的其他synchronized方法或代码块。这样可以确保在同一时间只有一个线程能够执行该代码块或方法，避免了多线程环境下的数据不一致问题，例如：

public class SynchronizedExample {
        
        private int count = 0;
        public synchronized void increment() {
        
            count++;
        }
    }

> 在上面的代码中，increment()方法是一个synchronized方法。当多个线程访问这个方法时，只有一个线程能够执行该方法的代码，其他线程将被阻塞。  
> synchronized关键字也可以用来修饰代码块，如：

public void increment() {
        
        synchronized(this) {
        
            count++;
        }
    }

> 在上面的代码中，synchronized关键字修饰的是一个代码块，并且锁对象是当前对象(this)  
> 注意：synchronized关键字会导致线程上下文切换和资源竞争，所以在使用时要注意性能问题

## 源码解析 ##

> 底层实现是通过 Java 虚拟机（JVM）的对象头和监视器锁机制实现的

> 具体来说，当一个线程访问一个对象的 synchronized 方法或代码块时，它会试图获取该对象的监视器锁。如果该锁未被其他线程占用，该线程将获得该锁并执行代码；如果该锁被其他线程占用，该线程将进入阻塞状态，等待获取该锁

> synchronized 是Java中用于实现同步的关键字，它在底层通过监视器锁（Monitor）来实现。下面是synchronized的源码解析：

> 在Java中，每个对象都有一个与之关联的监视器锁，也称为内置锁或对象锁。当线程进入一个synchronized方法或代码块时，它会尝试获取该对象的监视器锁。如果锁没有被其他线程占用，则该线程获得锁并开始执行代码；如果锁已经被其他线程占用，则该线程将被阻塞，直到锁被释放。

在Java虚拟机中，每个对象头中都包含一部分用于实现synchronized的相关信息。这些信息包括：

*  mark word：用于存储对象的标记信息，包括锁的状态。
 *  Klass pointer：指向对象的类元数据，包括synchronized的相关信息。
 *  monitor：与对象关联的监视器，它记录了当前占用锁的线程、等待锁的线程队列等。

> 当一个线程尝试获取一个对象的锁时，虚拟机会检查对象头中的标记信息。如果对象的锁状态为无锁状态，即未被其他线程占用，则该线程可以获取锁，并将标记信息设置为锁定状态。如果对象的锁状态为已锁定，并且当前线程是锁的所有者，则该线程可以继续执行代码。如果对象的锁状态为已锁定，并且当前线程不是锁的所有者，则该线程将被放入等待队列中，进入阻塞状态。

> 当持有锁的线程执行完synchronized方法或代码块后，它会释放锁，即将对象头中的锁状态置为无锁状态，并唤醒等待队列中的一个线程，使其获取锁并继续执行。

需要注意的是，synchronized关键字可以修饰方法和代码块。在方法上修饰的synchronized表示对整个方法进行同步，而在代码块上修饰的synchronized表示对该代码块进行同步，使用的锁对象通常是方法所属对象或指定的对象。

> 总结起来，通过监视器锁的机制，Java的synchronized能够保证同一时刻只有一个线程访问同步代码块或方法，避免了多线程的数据竞争和并发问题。

这里给出一份简化的 synchronized 关键字的源码：

public void synchronized method() {
        
        // 加锁
        Monitor.enter(this);
        try {
        
            // 同步代码块
        } finally {
        
            // 释放锁
            Monitor.exit(this);
        }
    }

> 在这份代码中，方法通过调用 Monitor.enter 方法获取当前对象的监视器锁，并在 finally 块中调用 Monitor.exit 方法释放该锁。因此，在 synchronized 方法内部的代码可以保证在任意时刻只有一个线程可以访问

## 常见面试题 ##

>  *  synchronized 方法和 synchronized 块的区别是什么？  
>     作用范围：synchronized 方法将整个方法体作为同步区块，而 synchronized 块可以将任意代码块作为同步区块  
>     锁的对象：synchronized 方法锁定的是整个对象，而 synchronized 块锁定的是在括号内指定的对象  
>     可控性：synchronized 方法的同步粒度比较大，不够灵活；而 synchronized 块可以更灵活地控制同步代码块的大小  
>     综上所述，在确定同步粒度时，通常使用 synchronized 块比使用 synchronized 方法更灵活，但是如果整个方法都需要同步，使用 synchronized 方法会更加简单易懂
>  *  什么情况下可以使用 synchronized 关键字？  
>     synchronized 关键字可以用于在多线程环境下保证方法或代码块的原子性。具体来说，如果一个线程正在执行同步方法或代码块，则其他线程将无法访问该方法或代码块  
>     常见情况包括：  
>     当多个线程访问共享资源时，可以使用 synchronized 关键字保证线程的安全  
>     在访问共享变量时，需要对其进行同步控制
>  *  在线程通信中，可以使用 synchronized 关键字保证线程之间的同步通信  
>     synchronized 关键字的性能开销如何？  
>     synchronized 关键字的使用会带来一些性能开销，因为它需要在多个线程之间进行同步。当线程访问同步代码块时，它必须获得锁，这会增加额外的开销。如果同步代码块执行时间过长，其他线程将一直等待，进而降低程序的性能。  
>     因此，应该尽量避免在高并发情况下使用 synchronized，或者使用其他的并发控制机制，如 java.util.concurrent 包中的锁和原子操作类等。
>  *  synchronized 关键字如何实现可重入？  
>     “可重入” 指的是同一线程可以多次获取同一个锁。例如，当线程 A 进入一个同步块时，如果它再次试图进入该块，则可以再次获取锁，而不会发生死锁  
>     在 Java 中，synchronized 关键字可以实现可重入，原因如下：  
>     synchronized 关键字使用对象监视器锁来实现同步。  
>     对象监视器锁是基于线程的，并且每个线程有一个独立的计数器，用于跟踪它在当前对象上获取的锁的数量。  
>     当线程试图获取锁时，如果它已经拥有该锁，则计数器将递增。  
>     当线程退出同步块时，计数器将递减。  
>     只有当计数器为零时，该线程才会释放锁。  
>     因此，如果一个线程在同一对象上多次进入同步块，它将多次获得该锁，并在退出该块时多次释放该锁。因此，synchronized 关键字是可重入的。

>  *  synchronized 关键字与 lock 机制的比较？  
>     synchronized 关键字和 Lock 机制都是用来保证线程同步的方法。但是它们有一些明显的差异：

灵活性：Lock 机制比 synchronized 关键字更灵活，因为它提供了更多的锁定操作，例如可以实现公平锁和非公平锁，还可以实现读写锁。  
可中断性：Lock 机制可以中断一个线程的等待，而 synchronized 关键字不能。  
可重入性：synchronized 关键字是自动可重入的，而 Lock 机制必须手动实现。  
性能：如果比较的是相同的锁定操作，synchronized 关键字通常比 Lock 机制更快，因为它是内置的。  
总体而言，在简单的同步情况下，synchronized 关键字更方便，但是在需要更多灵活性的情况下，Lock 机制可能是一个更好的选择。

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