Java中的Synchronized原理是什么

在Java中，synchronized关键字用于实现线程同步，确保多个线程在访问共享资源时能够正确地协调。synchronized可以用于方法或代码块，以确保同一时间只有一个线程可以执行被同步的代码。本文将深入探讨Synchronized的原理及其在Java中的实现机制。

1. Synchronized的基本用法

Synchronized关键字可以用于以下两种场景：

1. 同步方法：将整个方法标记为同步方法，确保同一时间只有一个线程可以执行该方法。

   public synchronized void method() {
       // 同步代码
   }

1. 同步代码块：将代码块标记为同步代码块，确保同一时间只有一个线程可以执行该代码块。

   public void method() {
       synchronized (this) {
           // 同步代码
       }
   }

2. Synchronized的实现原理

Synchronized的实现依赖于Java对象头中的监视器锁（Monitor Lock），也称为内置锁或互斥锁。每个Java对象都可以锁，当一个线程进入synchronized代码块或方法时，它会尝试获取对象的监视器锁。如果锁没有被其他线程持有，当前线程将成功获取锁并执行同步代码。如果锁已被其他线程持有，当前线程将进入阻塞状态，直到锁被释放。

2.1 对象头与监视器锁

在Java中，每个对象都有一个对象头（Object Header），对象头中包含了与锁相关的信息。对象头中的Mark Word部分存储了锁的状态信息，包括锁的类型、锁的持有者等。

• 无锁状态：对象未被任何线程锁定。
• 偏向锁：为了提高性能，JVM会优先使用偏向锁。偏向锁假设只有一个线程会访问同步代码，因此不需要进行复杂的锁竞争操作。
• 轻量级锁：当多个线程竞争锁时，偏向锁会升级为轻量级锁。轻量级锁通过CAS（Compare-And-Swap）操作来尝试获取锁。
• 重量级锁：当轻量级锁竞争激烈时，锁会进一步升级为重量级锁。重量级锁依赖于操作系统的互斥量（Mutex）来实现线程阻塞和唤醒。

2.2 锁的升级过程

JVM为了提高性能，采用了锁升级的策略。锁的升级过程如下：

1. 偏向锁：当一个线程第一次访问同步代码时，JVM会将锁标记为偏向锁，并将线程ID记录在对象头的Mark Word中。后续该线程再次访问同步代码时，无需进行任何同步操作，直接进入临界区。

2. 轻量级锁：当另一个线程尝试获取锁时，偏向锁会升级为轻量级锁。轻量级锁通过CAS操作来尝试获取锁，如果成功，线程进入临界区；如果失败，锁会进一步升级为重量级锁。

3. 重量级锁：当多个线程竞争锁时，轻量级锁会升级为重量级锁。重量级锁依赖于操作系统的互斥量来实现线程的阻塞和唤醒，开销较大。

2.3 锁的释放

当一个线程执行完同步代码块或方法后，它会释放锁。释放锁的过程包括将锁状态从持有状态改为无锁状态，并唤醒等待该锁的其他线程。

3. Synchronized的优缺点

3.1 优点

• 简单易用：Synchronized关键字使用简单，只需在方法或代码块前加上synchronized即可实现线程同步。
• 自动释放锁：Synchronized锁会在代码块或方法执行完毕后自动释放，无需手动释放锁。

3.2 缺点

• 性能开销：Synchronized锁在竞争激烈时可能会升级为重量级锁，导致线程阻塞和唤醒的开销较大。
• 不可中断：Synchronized锁是不可中断的，一旦线程获取了锁，其他线程必须等待锁释放后才能继续执行。

4. 总结

Synchronized是Java中实现线程同步的重要机制，它通过对象头中的监视器锁来实现对共享资源的互斥访问。JVM为了提高性能，采用了锁升级的策略，从偏向锁到轻量级锁，再到重量级锁。虽然Synchronized使用简单，但在高并发场景下可能会带来性能问题。因此，在实际开发中，开发者需要根据具体场景选择合适的同步机制，如使用ReentrantLock等更灵活的锁机制。

通过理解Synchronized的原理，开发者可以更好地编写线程安全的代码，避免多线程环境下的数据竞争和一致性问题。