【Java高并发优化手册】：synchronized关键字在高并发下的应用与策略

# 1. Java高并发编程概述

在当今的IT领域，应用程序的性能和响应速度越来越受到重视。Java高并发编程作为提升应用处理能力的关键技术之一，已成为程序员必须掌握的核心技能。本章节将对Java高并发编程进行概述，揭示其重要性，为读者在后续章节中深入学习synchronized关键字、并发工具类的使用和并发编程的高级主题打下基础。

Java高并发编程涉及到多线程技术，它允许程序员通过同时执行多个任务来充分利用多核处理器的计算能力。高并发编程可以显著提高应用程序的吞吐量和资源利用率，但同时也带来了线程安全和数据一致性的问题。为了有效管理多线程的复杂性，Java提供了一系列并发编程工具和同步机制，例如synchronized关键字和java.util.concurrent包中的工具类。

理解高并发编程的原理和实践不仅对开发高性能的应用程序至关重要，对于构建可扩展和健壮的系统也具有深远的意义。在接下来的章节中，我们将深入探讨synchronized关键字及其在高并发场景中的应用和优化策略，为实现复杂的并发控制提供实用的解决方案。

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# 第二章：理解synchronized关键字

在Java语言中，synchronized关键字是实现线程安全的最简单但又非常强大的机制。它用于控制方法或代码块在运行时同一时刻只有一个线程可以访问，确保了对共享资源的互斥访问。本章节将从多个角度深入解析synchronized的用法、工作原理、以及如何保证线程安全。此外，我们还将探究synchronized在高并发场景中的应用，以及如何优化其性能。

## 2.1 synchronized的基本用法

### 2.1.1 同步方法与同步代码块

在Java中，可以通过在方法声明前加上`synchronized`关键字来声明同步方法，或者在方法或代码块内部使用`synchronized`代码块实现同步。同步方法的锁对象默认为调用该方法的对象，而同步代码块则需要显式指定一个锁对象。

同步方法示例代码：

public synchronized void synchronizedMethod() {
    // 同步访问共享资源的代码
}

同步代码块示例代码：

Object lock = new Object();
synchronized (lock) {
    // 同步访问共享资源的代码
}

#### 参数说明

- `synchronizedMethod`: 被`synchronized`修饰的同步方法。
- `synchronized`: 关键字用于定义同步代码块。
- `lock`: 作为同步代码块的锁对象，必须在作用范围内唯一。

#### 执行逻辑说明

同步方法或代码块的执行逻辑是当一个线程进入到同步区域时，它会尝试获取对象的锁。如果锁已被其他线程获取，则该线程会进入阻塞状态，直到锁被释放。当获取到锁的线程退出同步区域时，锁会自动释放，使得其他等待的线程可以获取锁并进入同步区域。

### 2.1.2 锁的可重入性

Java中的`synchronized`锁是可重入的，这意味着同一个线程可以多次获取同一锁对象的锁。这是为了避免在多层方法调用中，一个线程在进入同步方法后，因再次调用其他同步方法而造成自身被永久阻塞的情况。

public class ReentrantDemo {
    private final Object lock = new Object();

    public void outerMethod() {
        synchronized (lock) {
            // 执行代码...
            innerMethod();
        }
    }

    public synchronized void innerMethod() {
        // 执行代码...
    }
}

#### 参数说明

- `lock`: 作为外层方法的锁对象。
- `outerMethod`: 包含同步代码块的外层方法。
- `innerMethod`: 在外层方法中被调用的内层同步方法。

#### 执行逻辑说明

在这个例子中，`outerMethod`方法首先获取了`lock`对象的锁。在同步代码块内，`innerMethod`方法被调用，由于它是同步方法，并且锁是可重入的，当前已经持有锁的线程可以直接进入，无需再次竞争。这样可以避免死锁的问题，保证线程安全。

## 2.2 synchronized的工作原理

### 2.2.1 对象头与Monitor

在Java虚拟机（JVM）中，对象在内存中存储时包括对象头和实例数据。对象头中包含Mark Word，它用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等。

Monitor实际上是一个同步工具，也可以说是一种同步机制，它通常被描述为一个对象的锁。每个对象都有一个Monitor与之关联，当多个线程访问同一对象时，它们必须获取该对象的Monitor才能进入同步块。Monitor是一种基于入口的同步机制，它具有入口集和等待集，线程可以进入入口集，也可以在等待集中等待。

### 2.2.2 锁升级的原理与过程

JVM为了提高synchronized的性能，使用了多种锁的优化技术，锁可以升级，但不能降级。锁的状态从低到高，依次是无锁、偏向锁、轻量级锁、和重量级锁。

- **无锁**：默认状态，没有线程竞争。
- **偏向锁**：当第一个线程访问同步代码块时，没有竞争，对象头的Mark Word中会记录线程ID，当该线程再次访问同步块时，直接检查是否是记录的线程ID，若一致，则无需进行锁操作。
- **轻量级锁**：当偏向锁的线程被其他线程干扰时，偏向锁会被撤销，并升级为轻量级锁。轻量级锁通过CAS（Compare-And-Swap）操作来尝试获取锁。
- **重量级锁**：当多个线程竞争锁时，轻量级锁通过自旋尝试获取锁失败后，锁就会膨胀为重量级锁。此时，其他未获取到锁的线程会进入阻塞状态。

mermaid
graph TB
    A[无锁] -->|竞争出现| B[偏向锁]
    B -->|撤销| C[轻量级锁]
    C -->|自旋失败| D[重量级锁]

## 2.3 synchronized与线程安全

### 2.3.1 原子性、可见性和有序性的保证

synchronized关键字提供了三大特性：原子性、可见性和有序性。

- **原子性**：在`synchronized`代码块内，任何时刻只有一个线程可以执行，从而保证了操作的原子性。
- **可见性**：线程退出`synchronized`代码块时，会把共享变量的最新值从工作内存刷新到主内存，其他线程读取该变量时可以看到更新后的值。
- **有序性**：被`synchronized`关键字修饰的代码块，保证了代码执行的有序性，不会因为编译器优化和处理器优化等原因导致代码执行顺序的改变。

### 2.3.2 与volatile关键字的对比

`synchronized`和`volatile`关键字都是Java中用来保证线程安全的重要手段，但它们的工作机制和适用场景不同。

- **synchronized**：通过锁机制提供互斥性，保证了原子性、可见性和有序性。它适用于需要完全互斥的场景。
- **volatile**：保证了变量的可见性，但不保证原子性。它适用于对变量写操作不会发生冲突，