Java synchronized关键字：深入理解与高效应用

简介

在多线程编程的世界里，确保数据的一致性和线程安全是至关重要的。Java的synchronized关键字就是为此而生的强大工具，它能帮助我们控制对共享资源的访问，防止多个线程同时对其进行操作而导致的数据不一致问题。本文将深入探讨synchronized关键字的基础概念、使用方法、常见实践以及最佳实践，帮助你全面掌握这一重要特性。

基础概念

synchronized关键字的核心作用是实现线程同步。当一个线程访问被synchronized修饰的代码或方法时，它会先获取对应的锁（也称为监视器）。在持有锁期间，其他线程如果试图访问相同的代码或方法，将会被阻塞，直到锁被释放。

Java中的每个对象都有一个内置的锁（监视器），这是synchronized实现同步的基础。当synchronized作用于实例方法时，使用的是调用该方法的对象的锁；当作用于静态方法时，使用的是该类的Class对象的锁。

使用方法

修饰实例方法

当synchronized修饰实例方法时，该方法在同一时刻只能被一个线程访问。下面是一个简单的示例：

public class SynchronizedInstanceMethodExample {
    private int count = 0;

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

    public int getCount() {
        return count;
    }
}

在这个例子中，increment方法被synchronized修饰，所以无论有多少个线程同时调用increment方法，每次只有一个线程能够进入该方法执行count++操作，从而保证了count变量的线程安全。

修饰静态方法

synchronized修饰静态方法时，使用的是该类的Class对象的锁。这意味着，对于同一个类的所有实例，该静态方法在同一时刻只能被一个线程访问。示例如下：

public class SynchronizedStaticMethodExample {
    private static int count = 0;

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

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

在这个例子中，increment是静态方法且被synchronized修饰，所有线程对该方法的访问都会受到锁的控制，确保了count变量的线程安全。

修饰代码块

synchronized还可以修饰代码块，这种方式更加灵活，可以精确控制需要同步的代码范围。语法如下：

synchronized (object) {
    // 同步代码块
}

其中，object是一个对象实例，通常是共享资源的对象。只有获取了该对象的锁，线程才能进入代码块执行。示例如下：

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

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

    public int getCount() {
        return count;
    }
}

在这个例子中，increment方法中的synchronized代码块使用lock对象作为锁。只有获取了lock对象的锁，线程才能进入代码块对count变量进行操作，保证了线程安全。

常见实践

线程安全的单例模式

单例模式是一种常用的设计模式，确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。在多线程环境下，需要使用synchronized关键字来保证单例的线程安全。下面是一个经典的双重检查锁定（Double-Checked Locking）实现的线程安全单例模式：

public class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;

    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

在这个实现中，首先通过if (instance == null)进行第一次检查，避免不必要的同步开销。然后在synchronized块中再次检查instance是否为null，确保在多线程环境下只有一个实例被创建。volatile关键字用于保证instance变量的可见性，防止指令重排序导致的问题。

保护共享资源

在多线程环境中，多个线程可能会同时访问和修改共享资源，这就需要使用synchronized关键字来保护共享资源。例如，多个线程同时向一个共享的队列中添加元素：

import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;

public class SharedQueueExample {
    private final Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();
    private final int capacity = 10;

    public synchronized void enqueue(int item) throws InterruptedException {
        while (queue.size() == capacity) {
            wait();
        }
        queue.add(item);
        notifyAll();
    }

    public synchronized int dequeue() throws InterruptedException {
        while (queue.isEmpty()) {
            wait();
        }
        int item = queue.poll();
        notifyAll();
        return item;
    }
}

在这个例子中，enqueue和dequeue方法都被synchronized修饰，并且使用了wait和notifyAll方法来实现线程间的通信。当队列满时，enqueue方法会调用wait方法等待，直到有空间；当队列空时，dequeue方法会调用wait方法等待，直到有元素。每次操作后，都会调用notifyAll方法通知其他等待的线程。

最佳实践

减小锁的粒度

尽量减小锁的作用范围，只在必要的代码块上使用synchronized，这样可以提高并发性能。例如，不要对整个方法进行同步，而是只对涉及共享资源的代码块进行同步。

避免死锁

死锁是多线程编程中常见的问题，当两个或多个线程相互等待对方释放锁时就会发生死锁。为了避免死锁，要确保线程获取锁的顺序一致，并且尽量避免嵌套锁。例如，在获取多个锁时，按照固定的顺序获取，避免交叉获取。

小结

synchronized关键字是Java多线程编程中实现线程同步的重要工具。通过修饰实例方法、静态方法和代码块，我们可以有效地控制对共享资源的访问，确保数据的一致性和线程安全。在实际应用中，要根据具体场景选择合适的同步方式，并遵循最佳实践，以提高程序的性能和稳定性。

参考资料

Oracle Java Documentation - Concurrency Utilities
《Effective Java》 - Joshua Bloch
《Java Concurrency in Practice》 - Brian Goetz

希望通过本文的介绍，你对Java的synchronized关键字有了更深入的理解，并能够在实际项目中灵活运用。如果你有任何问题或建议，欢迎在评论区留言。