Synchronized底层原理解析 - 实现锁的机制

# 1. 介绍Synchronized关键字

## 1.1 Synchronized的基本概念

Synchronized是Java中用于实现线程同步的关键字。它可以应用于方法或代码块上，以实现对共享资源的互斥访问。在多线程环境下，当多个线程同时访问共享资源时，如果没有采取合适的同步措施，就可能导致数据不一致和线程安全问题的产生。

## 1.2 Synchronized的作用和用法

Synchronized的主要作用是保证同一时间只有一个线程可以访问被保护的代码块或方法。它可以修饰实例方法、静态方法和代码块，以实现不同粒度的同步。具体来说，Synchronized可以用于以下几种情况：

- 同步实例方法：通过在方法声明中使用Synchronized关键字，可以确保同一时间只有一个线程能够进入该方法。当一个线程进入该方法时，它将自动获得当前实例对象的锁，其他线程需要等待锁的释放才能进入。
- 同步静态方法：通过在静态方法声明中使用Synchronized关键字，可以确保同一时间只有一个线程能够进入该静态方法。当一个线程进入该方法时，它将自动获得当前类的Class对象的锁，其他线程需要等待锁的释放才能进入。
- 同步代码块：通过在代码块中使用Synchronized关键字，可以精确控制需要同步的代码范围。使用同步代码块时，我们需要指定某个对象作为锁，只有获取了该对象锁的线程才能执行该代码块。其他线程需要等待锁的释放才能执行。

## 1.3 Synchronized的基本特性

在了解Synchronized的具体使用之前，我们需要先了解一些Synchronized关键字的基本特性：

- 可重入性：Synchronized是可重入的，即一个线程在持有锁的情况下，再次请求锁时仍然能够获得该锁。这种机制可以避免线程因为在同步代码块内调用了该对象的其他同步方法而发生死锁。
- 互斥性：Synchronized保证了同一时间只有一个线程能够获得锁，进而执行被保护的代码块或方法。其他线程需要等待锁的释放才能获得执行权限。
- 可见性：Synchronized不仅能够实现线程之间的互斥访问，还能够保证共享变量的可见性。当一个线程获得锁之后，在释放锁之前，它对共享变量的修改对其他线程都是可见的。

以上是关于Synchronized关键字的基本介绍。接下来，我们将深入探讨Synchronized的底层原理和具体实现方式。

# 2. Synchronized底层原理

Synchronized是Java中用于实现线程同步的关键字，它可以保证在多线程环境下的安全访问和操作共享资源。在这一章节中，我们将深入探讨Synchronized的底层原理。

#### 2.1 Synchronized的实现原理概述

Synchronized的实现原理主要涉及对象头的结构和对象监视器。Java对象在内存中的布局分为对象头和实例数据两部分，其中对象头中的一部分用于存储Synchronized相关的信息。当一个线程请求进入一段Synchronized代码块时，它会尝试获取对象的监视器（Monitor），如果监视器被其他线程占用，则线程会进入阻塞状态，直到获取到监视器才能继续执行。

#### 2.2 对象头的结构

对象头是Java对象在内存中的一部分，它通常占据8字节或者12字节的存储空间，具体的大小取决于虚拟机的实现。在HotSpot虚拟机中，对象头包括两部分信息：Mark Word和Klass Pointer。

Mark Word是一个32位或64位的数据结构，它包含了对象的HashCode、GC分代年龄、锁状态标志等信息，其中就包括Synchronized相关的标记位。

Klass Pointer指向对象的类元数据，用于确定该对象的类型。

#### 2.3 Synchronized在对象头的标记位

在对象头的Mark Word中存储了Synchronized相关的标记位，主要包括锁标志位和偏向锁标志位。这些标志位用于标识对象当前的锁状态和锁的类型。

锁标志位记录了对象被锁定的状态，0表示无锁状态，1表示轻量级锁状态，2表示重量级锁状态。当一个线程尝试获取对象的轻量级锁时，它会通过CAS操作将对象的Mark Word替换为表示轻量级锁的状态。

偏向锁标志位用于表示对象是否被偏向锁定。当一个线程成功获取了对象的锁，并且对象的偏向锁标志位为1时，该对象会被标记为偏向锁。这样，在下一次该线程请求锁时，无需经过CAS操作，便可直接获取锁。

#### 代码示例

public class SynchronizedExample {

    public synchronized void synchronizedMethod() {
        // 执行同步的代码块
    }
}

上述代码是一个简单的示例，其中`synchronizedMethod()`方法使用了Synchronized关键字修饰，表示该方法是一个同步方法。在多线程环境下，只有一个线程能够同时执行该方法。

#### 结果说明

通过使用Synchronized关键字修饰方法，我们可以确保在多线程环境下的安全访问和操作共享资源。当一个线程进入该方法时，它会尝试获取该对象的监视器，并将对象标记为锁定状态，其他线程需要等待该线程释放锁才能继续执行。

#### 总结

本章节介绍了Synchronized的底层实现原理，包括对象头的结构和Synchronized在对象头的标记位。通过深入了解Synchronized的底层机制，我们可以更好地理解并发编程中的线程同步问题，并合理地使用Synchronized关键字。在后续章节中，我们将继续探讨Synchronized的性能优化、并发编程中的应用以及与其他锁机制的比较。

# 3. Synchronized锁的获取与释放

在并发编程中，使用Synchronized关键字来保证线程安全是一种常见的方式。本章节将介绍Synchronized锁的获取与释放的原理和机制。

#### 3.1 对象监视器的获取

当一个线程想要进入一个同步代码块或方法时，需要先获取对象的监视器（锁）。只有获取到了锁，才能执行同步代码块或方法中的代码，其他线程就无法进入同步代码块或方法，处于阻塞状态。

例如，下面是一个使用Synchronized关键字实现的简单示例：

public class SynchronizedDemo {
    private int count = 0;

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

    public synchronized int getCount() {
        return count;
    }
}

这里定义了一个包含两个同步方法的类SynchronizedDemo。这两个方法都使用了Synchronized关键字修饰，表示它们是同步方法。

在这个示例中，当一个线程调用`increment`方法时，它会先获取到`SynchronizedDemo`对象的监视器，然后执行`count++`操作，最后释放监视器。其他线程如果要调用`increment`方法，需要等待第一个线程释放监视器。

#### 3.2 对象监视器的释放

当一个线程执行完同步代码块或方法中的代码后，它会释放对象的监视器，从而允许其他线程进入同步代码块或方法。

使用Synchronized关键字的同步方法，在方法执行完毕后会自动释放对象的监视器。而对于同步代码块，则需要手动使用`Synchronized`关键字进行锁的释放。

例如，下面是一个使用Synchronized关键字实现的同步代码块的示例：

public class SynchronizedDemo {
    private int count = 0;
    private Object lock = new Object();

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

    public int getCount() {
        return count;
    }
}

在这个示例中，通过`synchronized (lock)`语句块将需要同步的代码包裹起来。当一个线程执行这个语句块时，它会先获取到`lock`对象的监视器，执行`count++`操作，最后释放监视器。其他线程如果要执行这个语句块，也需要等待第一个线程释放监视器。

#### 3.3 重量级锁和轻量级锁

在Synchronized的实现中，锁的状态可以分为多个层次，包括无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。

- 无锁状态：对象未被锁定，多个线程可以同时进入同步代码块或方法。
- 偏向锁状态：对象被一个线程锁定，并且只有一个线程访问同步代码块或方法。这种情况下，访问同步代码块或方法时不需要进行加锁和解锁操作，提高了性能。
- 轻量级锁状态：多个线程竞争同步代码块或方法，但锁是可撤销的。当锁竞争激烈时，会升级为重量级锁。
- 重量级锁状态：多个线程竞争同步代码块或方法，会进入阻塞状态，等待锁的释放。

Synchronized的锁状态会根据竞争情况自动升级和降级，从而保证了性能的同时保证了线程安全。

本章节介绍了Synchronized锁的获取与释放的原理和机制，以及锁的状态机制。在下一章节中，我们将继续探讨Synchronized的性能优化方法。

请注意，以上只是代码示例，实际运行结果可能会受到多线程调度的影响，具体情况需要根据实际场景进行分析。

# 4. Synchronized的性能优化

在并发编程中，Synchronized的性能表现一直是一个备受关注的话题。虽然Synchronized提供了简单易用的机制来保护共享资源，但它的性能却常常被诟病。在本章节中，我们将讨论Synchronized的性能优化策略，以及如何通过一些技巧来提升Synchronized的执行效率。

#### 4.1 锁的优化手段介绍
在使用Synchronized时，可以通过一些手段来优化锁的性能。比如减少锁持有的时间、减小锁粒度、使用读写锁等手段。在实际应用中，根据具体场景选择合适的锁优化策略非常重要。

#### 4.2 自适应自旋
自适应自旋是一种提高Synchronized性能的策略，当一个线程尝试获取锁失败时，它会不断地进行自旋尝试，而不是立即进入阻塞状态。自适应自旋能够在一定程度上减少线程阻塞带来的性能损失，但需要权衡自旋时间和性能收益。

public class AdaptiveSpinningDemo {
    private Object lock = new Object();

    public void doSomething() {
        synchronized (lock) {
            // 执行需要同步的操作
        }
    }
}

#### 4.3 锁消除和锁粗化
锁消除是指在编译器级别通过程序分析，将不可能存在共享资源竞争的锁消除掉，从而减少不必要的同步操作。而锁粗化则是将多个连续的同步操作合并为一个较大的同步块，减少获取和释放锁的次数。

public class LockOptimizationDemo {
    private StringBuilder sb = new StringBuilder();

    public void appendString(String str1, String str2) {
        synchronized (sb) { // 锁粗化
            sb.append(str1);
            sb.append(str2);
        }
    }
}

通过上述优化手段，可以在一定程度上提升Synchronized的性能表现，使得并发程序能够更加高效地运行。

以上是Synchronized的性能优化，下一节我们将重点讨论Synchronized的底层原理与并发编程。

# 5. Synchronized的底层原理与并发编程

在并发编程中，`Synchronized` 是一个常用的关键字，用于实现多线程之间的同步操作。它的底层原理以及在并发编程中的应用非常重要。本章将深入探讨 `Synchronized` 的底层原理以及在实际并发编程中的应用。

#### 5.1 Synchronized在并发编程中的应用

在并发编程中，`Synchronized` 主要用于以下几个方面：

- 线程安全：通过在关键代码段加锁，确保多个线程访问共享资源时的安全性。
- 协调操作：通过`Synchronized`提供的同步机制，实现线程间协调和通信，避免数据不一致的情况发生。
- 控制资源访问顺序：通过`Synchronized`的锁机制，可以控制多个线程对资源的访问顺序，从而避免死锁等问题的发生。

#### 5.2 Synchronized的局限性和注意事项

尽管`Synchronized`在并发编程中有着重要的作用，但是在实际使用中也存在一些局限性和需要注意的事项：

- 性能开销：`Synchronized`在实现锁的过程中会带来一定的性能开销，特别是在高并发场景下，需要仔细考虑其影响。
- 可重入性：需要注意`Synchronized`的可重入性，避免出现死锁等情况。
- 粒度控制：合理控制`Synchronized`的锁粒度，避免过大或者过小的锁粒度带来的问题。

#### 5.3 Synchronized与并发编程的最佳实践

在实际并发编程中，合理的使用`Synchronized`是非常重要的，以下是一些最佳实践：

- 精细化锁的范围：尽量精细化地控制锁的范围，避免过大的锁粒度。
- 减少锁持有时间：合理设计代码逻辑，尽量减少锁的持有时间，提高并发性能。
- 注意锁的顺序：在涉及多个锁的情况下，需要注意锁的获取顺序，避免出现死锁的情况。

综上所述，`Synchronized`在并发编程中有着重要的作用，但是在使用过程中需要注意一些局限性和最佳实践，合理地应用`Synchronized`可以提高并发程序的性能和稳定性。

# 6. Synchronized与其他锁机制的比较

在并发编程中，除了Synchronized关键字之外，还有其他的锁机制可供选择。本章将介绍Synchronized与其他锁机制（如ReentrantLock）的比较，并探讨在不同的场景下如何选择适合的锁机制。

## 6.1 Synchronized与ReentrantLock的对比

### 6.1.1 Synchronized关键字

Synchronized关键字是Java语言中最常用的锁机制之一，在多线程环境下保证代码的同步执行。Synchronized关键字简单易用，不需要手动申请和释放锁，由Java虚拟机自动控制锁的获取和释放。

Synchronized关键字的特点包括：
- 锁的获取和释放由Java虚拟机自动完成；
- 不存在死锁的情况，一旦获取锁失败将进入等待队列，不会产生线程间的相互等待。

### 6.1.2 ReentrantLock

ReentrantLock是Java.util.concurrent包中提供的锁机制，相比于Synchronized关键字，ReentrantLock提供了更高级的功能。ReentrantLock允许实现更灵活的锁定操作，支持公平锁和非公平锁，并且能够响应中断。

ReentrantLock的特点包括：
- 支持公平锁和非公平锁的选择；
- 提供了更灵活的锁定操作，如可重入锁、条件变量等；
- 可中断的获取锁过程，避免线程被长时间阻塞。

### 6.1.3 对比与选择

Synchronized关键字和ReentrantLock都是有效的锁机制，但在不同的场景下可能需要做出选择。

#### 当需要简单易用的锁机制时，优先考虑使用Synchronized关键字。Synchronized关键字不需要手动申请和释放锁，由Java虚拟机自动控制，减少了编码的复杂度。

#### 当需要更高级的功能时，可以选择使用ReentrantLock。ReentrantLock提供了更多的特性，如可重入锁、条件变量、公平性选择等，能够满足更复杂的并发需求。

## 6.2 Synchronized在不同场景下的选择

### 6.2.1 单线程环境

在单线程环境下，不涉及多线程竞争的情况下，使用Synchronized关键字即可满足需求。Synchronized关键字能够确保代码的顺序执行，避免数据不一致的问题。

public class SingleThreadExample {
    private int count;

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

    public static void main(String[] args) {
        SingleThreadExample example = new SingleThreadExample();
        example.increment();
        System.out.println(example.count);
    }
}

### 6.2.2 竞争激烈的多线程环境

在竞争激烈的多线程环境下，为了提高程序的并发性能，可以考虑使用ReentrantLock。

public class MultiThreadExample {
    private int count;
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public void increment() {
        lock.lock();
        try {
            count++;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        MultiThreadExample example = new MultiThreadExample();
        // 创建多个线程并发执行
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            executorService.execute(() -> example.increment());
        }
        executorService.shutdown();
        // 等待所有线程执行完成
        try {
            executorService.awaitTermination(1, TimeUnit.MINUTES);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println(example.count);
    }
}

### 6.2.3 锁的粒度问题

在使用锁机制时，需要考虑锁的粒度。如果锁的粒度过大，会导致线程竞争激烈，降低并发性能；如果锁的粒度过小，可能会导致资源竞争和并发安全性问题。

选择合适的锁粒度需要根据具体的场景来决定。可以通过对代码进行分析和测试，结合具体的性能需求和并发安全性要求来确定锁的粒度。

## 6.3 对比不同锁机制的优缺点

### 6.3.1 Synchronized关键字的优缺点

Synchronized关键字的优点包括：
- 简单易用，不需要手动申请和释放锁；
- 由Java虚拟机自动控制锁的获取和释放；
- 不存在死锁的情况。

Synchronized关键字的缺点包括：
- 不支持公平性选择；
- 不支持可中断的获取锁过程。

### 6.3.2 ReentrantLock的优缺点

ReentrantLock的优点包括：
- 支持公平锁和非公平锁的选择；
- 提供了更灵活的锁定操作；
- 可中断的获取锁过程。

ReentrantLock的缺点包括：
- 使用相对复杂，需要手动申请和释放锁；
- 需要显式地处理异常和锁的释放。

根据具体的需求和场景，可以选择适合的锁机制来实现并发安全和性能优化。

通过对Synchronized与ReentrantLock的对比，我们可以更好地理解不同锁机制的特点和适用场景，为并发编程提供更多的选择和思路。

## 结语

本章介绍了Synchronized关键字与其他锁机制（如ReentrantLock）的比较，并给出了不同场景下选择锁机制的建议。选择合适的锁机制是保证并发安全和提高程序性能的关键。在实际应用中，需要根据具体的需求和场景来选择合适的锁机制，同时充分理解锁的特性和使用方法，以达到最佳的并发效果。