Java 关键字:synchronized详解

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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黄俊,专注于研究Java语言, Hotspot, Linux内核,C语言与汇编,架构设计,多线程并发处理,专注于研究高效学习方式。曾就职于美团、阿里,前新东方业务架构师。

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