深入理解 Java 中的 synchronized 关键字

简介

在多线程编程的世界里，数据一致性和线程安全是至关重要的问题。Java 提供了 synchronized 关键字来帮助开发人员处理这些挑战。synchronized 关键字确保在同一时刻，只有一个线程可以访问被同步的代码块或方法，从而避免数据竞争和其他多线程相关的问题。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，帮助你更好地掌握多线程编程中的这一关键工具。

基础概念
- 线程安全与数据竞争
- 监视器（Monitor）
使用方法
- 同步实例方法
- 同步静态方法
- 同步代码块
常见实践
- 保护共享资源
- 实现线程间通信
最佳实践
- 最小化同步范围
- 避免死锁
- 性能优化
小结
参考资料

基础概念

线程安全与数据竞争

当多个线程同时访问和修改共享资源时，就可能出现数据竞争的问题。数据竞争会导致程序出现不可预测的行为，因为不同线程对共享资源的操作顺序和时机是不确定的。线程安全是指一个类或对象在多线程环境下能够正确地工作，不会因为多线程访问而产生错误。

监视器（Monitor）

在 Java 中，每个对象都有一个关联的监视器（也称为内置锁）。synchronized 关键字就是通过获取对象的监视器来实现同步的。当一个线程进入被 synchronized 修饰的代码块或方法时，它会自动获取对象的监视器；当线程离开同步代码块或方法时，它会释放监视器，允许其他线程获取并进入同步区域。

使用方法

同步实例方法

通过在实例方法声明中添加 synchronized 关键字，可以将整个方法标记为同步方法。这意味着在同一时刻，只有一个线程可以调用该实例的同步方法。

public class SynchronizedExample {
    private int count = 0;

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

    public int getCount() {
        return count;
    }
}

同步静态方法

同步静态方法与同步实例方法类似，只不过它是针对类级别的锁。由于静态方法属于类，而不是实例，所以同步静态方法使用的是类对象的监视器。

public class StaticSynchronizedExample {
    private static int count = 0;

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

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

同步代码块

同步代码块允许你更精确地控制同步的范围。你可以选择只同步代码中的关键部分，而不是整个方法。同步代码块需要一个对象作为锁对象，通常是 this 或者一个专门用于同步的对象。

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

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

    public int getCount() {
        return count;
    }
}

常见实践

保护共享资源

synchronized 关键字最常见的用途是保护共享资源，确保多个线程不会同时修改共享资源，从而避免数据竞争。

public class SharedResource {
    private int value;

    public synchronized void setValue(int value) {
        this.value = value;
    }

    public synchronized int getValue() {
        return value;
    }
}

实现线程间通信

synchronized 关键字还可以用于实现线程间的通信。通过 wait()、notify() 和 notifyAll() 方法，线程可以在共享资源上进行等待和通知。

public class ThreadCommunication {
    private static final Object lock = new Object();

    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            synchronized (lock) {
                System.out.println("Thread 1: Waiting for notification...");
                try {
                    lock.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("Thread 1: Received notification");
            }
        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            synchronized (lock) {
                System.out.println("Thread 2: Sending notification...");
                lock.notify();
            }
        });

        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

最佳实践

最小化同步范围

尽量缩小同步代码块或方法的范围，只同步那些需要保护的关键代码。这样可以减少线程等待的时间，提高并发性能。

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，并且避免在持有锁的情况下进行长时间的操作。

性能优化

在高并发场景下，过多的同步可能会导致性能瓶颈。可以考虑使用并发集合类（如 ConcurrentHashMap）或者其他并发控制机制（如 ReentrantLock）来替代 synchronized，以获得更好的性能。

小结

synchronized 关键字是 Java 多线程编程中实现线程安全和同步的重要工具。通过理解其基础概念、掌握不同的使用方法，并遵循最佳实践，开发人员可以有效地处理多线程环境下的各种问题，确保程序的正确性和高性能。希望本文能够帮助你深入理解并高效使用 synchronized 关键字。

参考资料

Java 官方文档 - Concurrency Utilities
《Effective Java》 - Joshua Bloch
《Java Concurrency in Practice》 - Brian Goetz

以上博客内容全面介绍了 Java 中的 synchronized 关键字，希望对你有所帮助。如果你有任何疑问或建议，请随时留言。