【Java并发编程秘籍】：20个synchronized关键字最佳实践

# 1. Java并发编程与synchronized概述

在现代软件开发中，尤其是构建高性能服务器端应用程序时，多线程和并发编程是不可或缺的技能。Java作为一种成熟且广泛使用的编程语言，提供了丰富的并发工具和构造来帮助开发者管理线程和同步资源。其中，`synchronized`关键字是Java中用于控制并发访问共享资源的一种基本同步机制，它能够确保同一时刻只有一个线程可以访问被`synchronized`修饰的代码块或方法，从而避免了数据竞争和条件竞争等问题。

随着Java版本的更新，对并发控制的理解与应用也在不断深化和发展。在并发编程的实践中，正确使用`synchronized`不仅可以提高程序的安全性，还可以通过优化减少不必要的性能开销。为了深入探讨这一主题，本文将从`synchronized`的基础知识出发，逐步深入到其在Java并发编程中的实际应用和最佳实践，帮助开发者构建更高效、更稳定的应用程序。

# 2. ```
# 第二章：synchronized关键字的理论基础

## 2.1 Java内存模型简介
### 2.1.1 工作内存与主内存
在Java内存模型（Java Memory Model, JMM）中，共享变量是存储在主内存（Main Memory）中的，而每个线程都有自己的工作内存（Working Memory），用于存储该线程使用的共享变量的副本。当线程执行时，会从主内存中读取变量到工作内存中，执行操作后再将其写回主内存。这个过程涉及到变量的读取、计算、写入等操作，这些操作并不是原子的，因此，如果没有适当的同步措施，可能会导致并发程序中的数据不一致问题。

### 2.1.2 原子性、可见性和有序性问题
- **原子性（Atomicity）**：Java中的基本操作（如变量的读取和写入）被认为是原子操作，但在多线程环境下，对于复合操作（如i++），没有同步机制的情况下，就无法保证其原子性。
- **可见性（Visibility）**：当一个线程修改了共享变量的值，其他线程可能无法立即看到修改后的值，这是因为变量的更新可能只在工作内存中可见，而没有被及时刷新到主内存中。
- **有序性（Ordering）**：Java虚拟机有指令重排优化，这可能导致线程看到的指令执行顺序与编译器或者处理器执行的顺序不同，从而产生有序性问题。

## 2.2 synchronized的作用与原理
### 2.2.1 同步块与同步方法
synchronized关键字是Java中实现线程同步的基础，可以用来修饰方法或代码块。当它用来修饰方法时，整个方法就变成了同步方法，同步方法在执行时，会获取当前对象的锁。而当它用于代码块时，需要指定锁对象，通常是一个共享资源。

public synchronized void synchronizedMethod() {
    // 同步方法体
}

public void someMethod() {
    synchronized(this) {
        // 同步块代码
    }
}

在同步方法中，锁对象默认为当前实例（this），而在同步块中，则明确指定了锁对象。

### 2.2.2 锁的升级与优化
Java虚拟机（JVM）对synchronized进行了多方面的优化，包括锁的升级。锁的升级过程包括：无锁状态、偏向锁（Biased Locking）、轻量级锁（Lightweight Locking）、和重量级锁（Heavyweight Locking）。

- **偏向锁**：主要目的是消除同步中的一些开销，如果一个同步块一直被同一个线程访问，那么该线程再次进入时可以不需要进行CAS操作来获取锁，而是直接进入同步块。
- **轻量级锁**：当偏向锁失败，线程会尝试使用CAS操作来获取轻量级锁。
- **重量级锁**：当轻量级锁竞争激烈时，会膨胀为重量级锁，此时未获得锁的线程会被阻塞和唤醒，涉及底层的操作系统互斥量（Mutex Lock）。

## 2.3 synchronized的使用场景
### 2.3.1 互斥锁的典型应用
互斥锁是实现线程安全最基本的方式，它可以保证在同一时刻，只有一个线程可以执行某个方法或代码块。synchronized就是Java中最常用的互斥锁实现。

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

在这个简单的计数器例子中，通过synchronized关键字保证了`increment`和`getCount`方法的互斥执行。

### 2.3.2 锁粗化与锁消除技术
在JIT编译过程中，编译器会对代码进行优化，比如**锁粗化**（Lock Coarsening）和**锁消除**（Lock Elimination）技术。

- **锁粗化**：是指JIT编译器可能会将几个小的连续的同步块合并为一个较大的同步块，减少进入和退出同步块的次数，从而降低开销。
- **锁消除**：是指如果编译器检测到一段代码不被任何线程共享，那么这段代码的锁就会被消除，因为即使没有同步机制，也不会出现并发问题。

这些优化技术确保了synchronized的效率和适用性，在保证线程安全的同时减少了不必要的开销。

请继续生成文章剩余部分的内容，按照给定的结构和格式。

# 3. synchronized的深入实践

synchronized关键字是Java语言提供的基本同步机制之一，深入理解其使用技巧对于编写高效且线程安全的代码至关重要。本章节将深入探讨synchronized在实现线程安全集合类、高级锁应用技巧以及死锁与性能调优中的实践应用。

## 3.1 实现线程安全的集合类

随着多线程编程的普及，对于线程安全的集合类的需求日益增加。Java提供了一些内置的线程安全集合类，例如Vector和Hashtable。这些类的内部机制利用synchronized关键字来保证线程安全性。除了这些集合类，Java还通过Collections工具类提供了将非线程安全集合包装成线程安全集合的方法。

### 3.1.1 Vector与Hashtable的同步机制

Vector是一个动态数组，其所有的方法都是同步的，它继承了AbstractList类，并在所有操作方法上添加了synchronized修饰符。Hashtable则是基于散列表的Map接口实现，同样使用synchronized方法来保证线程安全性。

Vector<String> vector = new Vector<>();
synchronized(vector) {
vector.add("Example");
}

在上述代码中，Vector的add方法已经通过synchronized修饰，因此在同一时刻只能有一个线程执行该方法。然而，这种全局锁机制在多线程环境下可能会成为性能瓶颈。

### 3.1.2 使用Collections.synchronizedList等包装方法

Collections类提供了synchronizedList、synchronizedSet等方法，它们可以将普通的List、Set接口实现类包装成线程安全的集合。这些方法创建的包装类在内部维护了一个锁对象，所有的操作方法都会通过这个锁对象同步。

List<String> safeList = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
synchronized (safeList) {
safeList.add("Example");
}

这种方法虽然实现了线程安全，但需要注意的是，在多线程同时对集合进行迭代访问时，仍需要外部同步机制来确保线程安全，因为这种包装方法只同步了修改集合的方法，不包括迭代器。

## 3.2 高级锁应用技巧

在多线程编程中，除了基本的synchronized关键字外，Java还提供了可重入锁（ReentrantLock）和读写锁（ReadWriteLock）等高级锁机制，以应对不同场景下的并发需求。

### 3.2.1 可重入锁的使用

可重入锁，顾名思义，是指线程可以重复获取同一个锁。它的优势在于它提供了比synchronized关键字更丰富的功能，例如可以尝试获取锁、响应中断等。

Lock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
try {
// 临界区代码
} finally {
lock.unlock();
}

使用可重入锁时，要注意确保每次锁定都有对应的释放操作，避免发生死锁。此外，还可以使用tryLock方法尝试获取锁，而不是阻塞等待。

### 3.2.2 读写锁的使用与案例分析

读写锁允许多个读操作并行，而写操作必须独占锁。ReadWriteLock是实现读写锁的接口，ReentrantReadWriteLock是其一个具体实现。

ReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
Lock readLock = readWriteLock.readLock();
Lock writeLock = readWriteLock.writeLock();
readLock.lock();
try {
// 执行读操作
} finally {
readLock.unlock();
}
writeLock.lock();
try {
// 执行写操作
} finally {
writeLock.unlock();
}

读写锁适用于读操作远多于写操作的场景，有效提高了并发性能。例如，在缓存系统中，多个线程可能同时读取缓存数据，但是写缓存的情况较少。

## 3.3 死锁与性能调优

死锁是多线程编程中的一种常见问题，它发生在多个线程或进程在执行过程中因争夺资源而无限期地相互等待的现象。因此，了解如何避免死锁以及如何对synchronized进行性能调优是提高并发程序稳定性和效率的关键。

### 3.3.1 死锁的产生与避免策略

死锁通常由以下四个必要条件共同作用产生：

1. 互斥条件：资源不能被共享，只能由一个进程使用。
2. 请求与保持条件：进程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。
3. 不剥夺条件：进程已获得的资源在未使用完之前，不能被其他进程强行剥夺，只能由进程自愿释放。
4. 循环等待条件：存在一种进程资源的循环等待关系。

为了避免死锁，可以采取以下策略：

- 避免嵌套锁，尽量使用相同顺序的加锁操作。
- 超时机制：当尝试获取锁超过一定时间时，放弃加锁请求。
- 锁排序：对所有资源进行排序，并强制线程按照一定的顺序获取资源。

### 3.3.2 synchronized性能优化技巧

虽然synchronized关键字易于使用，但不当的使用可能导致性能问题。为了避免这些问题，可以采取以下技巧：

- 减少锁的持有时间：尽量在必要时持有锁，并尽快释放。
- 锁粒度细化：使用细粒度的锁代替粗粒度的锁。
- 锁分离：根据操作性质将同步代码块分离，使用不同的锁进行同步。
- 锁粗化：当多个同步代码块频繁交替执行时，可以考虑将它们合并为一个大的同步代码块。
- 使用并发集合：例如ConcurrentHashMap替代Collections.synchronizedMap。

通过这些优化技巧，可以在保持线程安全的同时，提升程序的性能和响应速度。在实际应用中，需要根据具体场景和需求进行权衡和选择。

# 4. synchronized关键字最佳实践案例

### 4.1 实例讲解：线程安全的单例模式

#### 4.1.1 懒汉式单例的线程安全实现

在多线程环境中，单例模式的实现需要考虑线程安全问题。懒汉式单例是在第一次使用该对象时才进行实例化，而这就产生了线程安全问题。基本的懒汉式单例是线程不安全的，因为多个线程可能会同时执行实例化的代码块。

为了实现懒汉式的线程安全，我们可以简单地在获取实例的方法上加上`synchronized`关键字。这是一个简单直接的解决方案，但是它在高并发下会显著降低性能。

public class SingletonLazySafe {
private static SingletonLazySafe instance = null;

private SingletonLazySafe() {}

public static synchronized SingletonLazySafe getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new SingletonLazySafe();
}
return instance;
}
}

在上述代码中，`synchronized`关键字保证了`getInstance`方法的线程安全。这意味着无论何时只有一个线程可以执行这个同步方法。一旦实例被创建，`synchronized`方法就不需要再次执行，从而节省了资源。

#### 4.1.2 饿汉式单例的线程安全实现

相对于懒汉式单例，饿汉式单例在类加载时就完成初始化，它是在初始化阶段就分配了实例，所以是线程安全的。这种单例模式的实现方式简单、直接，且在Java中采用静态初始化器的方式可以确保线程安全。

public class SingletonEagerSafe {
private static final SingletonEagerSafe INSTANCE = new SingletonEagerSafe();

private SingletonEagerSafe() {}

public static SingletonEagerSafe getInstance() {
return INSTANCE;
}
}

在这里，由于`INSTANCE`是在静态初始化时创建的，JVM会在类初始化阶段（在任何线程使用该静态变量之前）就完成对`SingletonEagerSafe`类的加载、连接、初始化。这个过程是线程安全的。

### 4.2 实践技巧：synchronized与并发集合

#### 4.2.1 使用ConcurrentHashMap管理高并发数据

`ConcurrentHashMap`是Java中用来管理高并发环境下的哈希表数据结构。它提供了高并发的解决方案，利用锁分段技术，将数据分为一段一段地存储，然后给每一段数据配一把锁，当一个线程占用锁访问其中一个段数据的时候，其他段的数据也能被其他线程访问。

ConcurrentHashMap<Integer, String> map = new ConcurrentHashMap<>();

map.put(1, "One");
map.put(2, "Two");

String value = map.get(1);

`ConcurrentHashMap`是线程安全的，适用于多线程环境下的数据操作。在高并发的场景下，相比`Hashtable`和`synchronized`的`HashMap`，`ConcurrentHashMap`在性能上有明显的优势。

#### 4.2.2 分析Java并发包中的synchronized应用

Java并发包`java.util.concurrent`中的许多集合类都使用了`ReentrantLock`来替代`synchronized`关键字。`ReentrantLock`提供了更灵活的锁定机制，而且它支持尝试非阻塞地获取锁，还支持可中断地获取锁和超时获取锁等功能。

private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
private Condition notEmpty = lock.newCondition();
private Condition notFull = lock.newCondition();

// 生产者
lock.lock();
try {
while (count == items.length)
notFull.await();
// 生产过程
} finally {
lock.unlock();
}

// 消费者
lock.lock();
try {
while (count == 0)
notEmpty.await();
// 消费过程
} finally {
lock.unlock();
}

在上面的代码中，我们可以看到如何使用`ReentrantLock`来控制生产者和消费者之间的协作。这种方式的锁更加灵活，可以根据需要获取不同类型的锁，从而更好地管理并发环境下的线程同步。

### 4.3 避免synchronized的常见错误

#### 4.3.1 错误同步方法的识别与修正

错误的同步方法可能会影响程序的性能，甚至造成死锁。在使用`synchronized`时，需要确保：

- 只在必要的最小范围进行同步。
- 避免使用不同的锁对象来保护相同的数据。
- 避免死循环中调用`wait`方法。

在下面的错误示例中，一个方法试图在循环中进行同步，这会严重影响性能。

public void wrongSyncExample(Vector<Integer> vec) {
synchronized(vec) {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
vec.add(i);
}
}
}

正确的做法是将循环内部的逻辑抽离出来，然后针对具体操作进行同步。

#### 4.3.2 同步代码块的范围界定最佳实践

同步代码块的范围界定是一个重要的实践。代码块范围过大或过小都会影响性能。一个良好的同步代码块应该能够确保：

- 正确保护了共享资源。
- 只包括必要的操作，以避免不必要的等待。
- 尽量减少持有锁的时间。

下面是一个不恰当的同步代码块示例，它在外部进行了大量的计算，从而导致锁等待时间变长。

synchronized(obj) {
int result = performLongCalculation();
doSomethingWithResult(result);
}

最佳做法是将计算移出同步代码块，只有真正需要同步的操作在锁内进行。


以上就是`synchronized`关键字在实际应用中的最佳实践案例。通过单例模式、并发集合类以及并发工具类的使用，我们可以更好地理解和掌握`synchronized`的使用技巧，并避免一些常见的错误。

# 5. synchronized的未来与替代品

synchronized作为Java语言中一个历史悠久的同步关键字，它的地位在多线程编程中至关重要。但随着技术的发展和需求的变化，Java并发工具箱不断扩展，也出现了synchronized的替代品和优化方案。本章将探讨Java并发工具箱的扩展、Java新版本中的并发改进，以及并发编程的未来趋势。

## 5.1 Java并发工具箱的扩展

Java提供了丰富的并发工具来处理复杂的同步问题，这些工具箱的扩展使得开发者能够更灵活地控制线程的行为。

### 5.1.1 ReentrantLock的使用与优势

ReentrantLock是一种可重入的互斥锁，提供了比synchronized更灵活的锁定操作。它支持尝试非阻塞性的获取锁、可中断的获取锁以及超时获取锁等特性。

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ReentrantLockExample {
private Lock lock = new ReentrantLock();

public void performTask() {
lock.lock();
try {
// 执行任务
} finally {
lock.unlock();
}
}
}

ReentrantLock还有公平锁和非公平锁的选择，以及Condition对象的使用，可以更精确地控制线程的通信。

### 5.1.2 StampedLock的高级特性介绍

Java 8 引入了StampLock，这是一种新的读写锁模式。与传统的读写锁相比，它提供了乐观读锁的概念，该锁在读取数据时并不会完全锁定数据，这可以大幅提高性能。

import java.util.concurrent.locks.StampedLock;

public class StampedLockExample {
private final StampedLock stampedLock = new StampedLock();

void writeLock() {
long stamp = stampedLock.writeLock();
try {
// 修改数据
} finally {
stampedLock.unlockWrite(stamp);
}
}

int optimisticRead() {
long stamp = stampedLock.tryOptimisticRead();
int data = // 读取数据
if (!stampedLock.validate(stamp)) {
stamp = stampedLock.readLock();
try {
data = // 重新读取数据
} finally {
stampedLock.unlockRead(stamp);
}
}
return data;
}
}

使用乐观读锁时，如果在读取过程中数据被写锁修改，需要重新读取。这种机制减少了读锁的加锁次数，提高了读操作的性能。

## 5.2 Java新版本中的并发改进

随着Java语言的发展，从Java 5到Java 17，synchronized关键字也在逐步改进。新增的并发工具和类库也改变了Java并发编程的面貌。

### 5.2.1 Java 5至Java 17中synchronized的改进

Java 5引入了并发包`java.util.concurrent`，synchronized关键字本身也得到了一些改进，例如增加了锁粗化和锁消除技术，以及引入了`ThreadLocal`类来优化线程局部存储。

### 5.2.2 用Atomic类和CAS操作优化无锁编程

Java提供了Atomic类系列来实现无锁编程，这些类使用CAS（Compare-And-Swap）操作，来保证操作的原子性，避免了锁的使用。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class AtomicIntegerExample {
private AtomicInteger counter = new AtomicInteger();

public void increment() {
counter.incrementAndGet();
}
}

Atomic类的使用简化了多线程环境下的原子操作，提高了程序的效率和可读性。

## 5.3 并发编程的未来趋势

未来的并发编程将更加注重性能和安全性，并且会更加倾向于无锁编程的模式。

### 5.3.1 无锁编程与软件事务内存(STM)

无锁编程是一种不使用锁而保证线程安全的编程模式。STM（Software Transactional Memory）是一种实现无锁编程的机制，它将内存访问封装成事务处理的方式，简化了并发控制。

### 5.3.2 并发编程模型的演变与挑战

随着多核处理器的普及，传统的并发编程模型面临着新的挑战。Fork/Join框架、并行流等新的并发模型和API被设计出来，来适应多核处理器的并行处理能力。

## 总结

本章介绍了synchronized的替代品和Java并发工具箱的扩展。随着Java版本的不断更新，新的并发工具如ReentrantLock、StampedLock、Atomic类为并发编程提供了更多选择。未来的并发编程将向着无锁编程和更高层次的并发模型演进。了解这些趋势和工具，对于任何希望深入掌握Java并发编程的开发者来说都是至关重要的。