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# Synchronized的原理是什么
## 引言
在多线程编程中，线程安全是一个核心问题。当多个线程同时访问共享资源时，如果没有适当的同步机制，就可能导致数据不一致、程序行为异常等问题。Java提供了`synchronized`关键字来实现线程同步，它是Java中最基本、最常用的同步机制之一。本文将深入探讨`synchronized`的原理，包括其实现机制、底层原理、优化手段以及适用场景。
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## 1. Synchronized的基本概念
### 1.1 什么是Synchronized
`synchronized`是Java中的一个关键字，用于修饰方法或代码块，确保在同一时刻只有一个线程可以执行被修饰的代码。它提供了一种简单的线程同步机制，能够有效防止多个线程同时访问共享资源导致的数据竞争问题。
### 1.2 Synchronized的用法
`synchronized`可以用于以下三种场景：
1. **实例方法同步**：修饰非静态方法，锁是当前实例对象。
```java
public synchronized void method() {
// 同步代码
}
静态方法同步：修饰静态方法，锁是当前类的Class对象。
public static synchronized void staticMethod() {
// 同步代码
}
代码块同步：修饰代码块，可以指定锁对象。
public void blockMethod() {
synchronized (this) {
// 同步代码块
}
}
synchronized的底层实现依赖于JVM的监视器锁（Monitor）机制。为了深入理解其原理，我们需要从字节码和JVM两个层面进行分析。
通过javap反编译工具可以查看synchronized修饰的代码块的字节码。例如：
public void syncBlock() {
synchronized (this) {
System.out.println("Hello");
}
}
反编译后的字节码如下：
public void syncBlock();
Code:
0: aload_0
1: dup
2: astore_1
3: monitorenter // 进入监视器
4: getstatic #2 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
7: ldc #3 // String Hello
9: invokevirtual #4 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
12: aload_1
13: monitorexit // 正常退出监视器
14: goto 22
17: astore_2
18: aload_1
19: monitorexit // 异常退出监视器
20: aload_2
21: athrow
22: return
从字节码中可以看到：
- monitorenter：尝试获取对象的监视器锁。
- monitorexit：释放对象的监视器锁。
- 为了保证锁的释放，JVM会在同步代码块正常结束和异常时都插入monitorexit指令。
在JVM中，每个对象都与一个监视器（Monitor）关联。监视器的主要组成部分包括：
- Owner：当前持有锁的线程。
- EntryList：等待获取锁的线程队列。
- WaitSet：调用了wait()方法的线程队列。
synchronized的加锁和解锁过程如下：
1. 当线程执行到synchronized代码块时，会尝试通过monitorenter指令获取对象的监视器锁。
2. 如果锁未被占用，线程会成为Owner，并进入同步代码块。
3. 如果锁已被占用，线程会进入EntryList，进入阻塞状态。
4. 当Owner线程执行完同步代码块后，会通过monitorexit指令释放锁，并唤醒EntryList中的线程。
在早期的Java版本中，synchronized是一个重量级锁，性能较差。但从Java 6开始，JVM对synchronized进行了优化，引入了锁升级机制，包括偏向锁、轻量级锁和重量级锁。这种机制根据竞争情况动态调整锁的状态，以提高性能。
适用场景：只有一个线程访问同步代码块。
Mark Word实现，其中记录了偏向线程的ID。适用场景：多个线程交替访问同步代码块，但没有真正的竞争。
适用场景：多个线程竞争同一把锁。
无锁 -> 偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁
锁的升级是单向的，一旦升级为重量级锁，就无法降级。
尽管synchronized在Java 6之后进行了大量优化，但在高并发场景下仍需注意性能问题。以下是一些优化建议：
尽量只对必要的代码加锁，避免在同步代码块中执行耗时操作（如IO操作）。
// 不推荐
public synchronized void slowMethod() {
// 耗时操作
}
// 推荐
public void fastMethod() {
// 非耗时操作
synchronized (this) {
// 必要的同步代码
}
}
如果一个类中有多个独立的共享变量，可以为每个变量分配单独的锁，以减少竞争。
private final Object lock1 = new Object();
private final Object lock2 = new Object();
public void method1() {
synchronized (lock1) {
// 操作变量1
}
}
public void method2() {
synchronized (lock2) {
// 操作变量2
}
}
偏向锁和轻量级锁的开销较低，而重量级锁的开销较高。可以通过以下方式减少锁升级：
- 减少锁的竞争。
- 使用ConcurrentHashMap等并发容器替代synchronized。
| 特性 | Synchronized | ReentrantLock |
|---|---|---|
| 实现方式 | JVM内置 | JDK实现（AQS） |
| 锁的获取 | 自动获取和释放 | 需要手动调用lock()和unlock() |
| 可中断性 | 不支持 | 支持 |
| 公平锁 | 非公平 | 可选择公平或非公平 |
| 条件变量 | 通过wait()/notify()实现 |
通过Condition实现 |
| 特性 | Synchronized | volatile |
|---|---|---|
| 原子性 | 保证 | 不保证（仅单个读/写） |
| 可见性 | 保证 | 保证 |
| 有序性 | 保证 | 保证 |
| 适用场景 | 多线程访问共享资源 | 单一变量的可见性控制 |
synchronized是Java中实现线程同步的重要机制，其底层依赖于JVM的监视器锁。从Java 6开始，JVM引入了锁升级机制（偏向锁、轻量级锁、重量级锁），显著提升了性能。在实际开发中，应根据场景合理使用synchronized，并结合其他同步机制（如ReentrantLock、volatile）以达到最佳效果。
通过本文的分析，希望读者能够深入理解synchronized的原理，并在多线程编程中灵活运用。
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这篇文章总计约2700字，涵盖了synchronized的基本概念、底层原理、锁升级机制、性能优化以及与其他同步机制的对比。希望对您有所帮助！
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