深入浅出Java多线程(九)：synchronized与锁

引言

大家好，我是你们的老伙计秀才！今天带来的是[深入浅出Java多线程]系列的第九篇内容：synchronized与锁。大家觉得有用请点赞，喜欢请关注！秀才在此谢过大家了！！！

在现代软件开发中，多线程技术是提升系统性能和并发能力的关键手段之一。Java作为主流的编程语言，其内置的多线程机制为开发者提供了丰富的并发控制工具，其中synchronized关键字及其背后的锁机制扮演了至关重要的角色。理解并掌握synchronized的使用原理与特性，有助于我们设计出高效且线程安全的应用程序。

Java中的每个对象都可以充当一把锁，这意味着任何实例方法或静态方法可以通过synchronized关键字来实现同步控制，从而确保同一时间只有一个线程能访问临界资源。例如，一个简单的实例方法同步：

public class Counter {
    private int count = 0;

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

在这个例子中，increment方法被synchronized修饰，使得在同一时刻只能有一个线程对count变量进行递增操作，避免了数据竞争带来的不一致性问题。

同时，类锁的概念也是基于对象锁——类的Class对象同样可以作为锁，用于同步类的静态方法或某一特定对象实例上的代码块，如：

public class SharedResource {
    public static synchronized void modifyStaticData() {
        // 修改共享静态数据
    }
}

这里，modifyStaticData方法通过类锁保护了所有实例共享的静态资源，保证了在多线程环境下的数据安全性。

深入探究Java多线程中的synchronized关键字及锁机制，我们会发现Java虚拟机为了优化锁的性能，引入了偏向锁、轻量级锁和重量级锁等不同级别的锁状态，并且支持锁的自动升级和降级策略。这些机制能够根据实际的并发场景动态调整锁的表现形式，以最小化锁的获取和释放开销，进而提高系统的并发性能和响应速度。接下来，我们将逐一剖析这些概念和技术细节，以便更全面地理解和运用Java中的锁机制。

Java锁基础

在Java多线程编程中，锁机制是实现并发控制的核心手段之一。这里的“锁”基于对象的概念，任何Java对象都可以充当一把锁来保护共享资源的访问，确保同一时间只有一个线程可以执行临界区代码。synchronized关键字作为Java内置的关键同步工具，被广泛用于实现线程间的互斥操作。

synchronized关键字详解

synchronized关键字主要有三种使用形式：

1. 实例方法锁定：当synchronized关键字修饰实例方法时，它隐式地获取了当前对象实例作为锁：

   public class SynchronizedExample {
       private int counter;
   
       public synchronized void increment() {
           counter++;
       }
   }
   
   

   在上述代码中，increment方法被synchronized修饰，意味着每次仅有一个线程能执行该方法内部逻辑，即修改counter变量。

2. 静态方法锁定：如果synchronized修饰的是静态方法，则锁对象为类的Class对象，所有实例共享这把锁：

   public class SynchronizedExample {
       private static int sharedCounter;
   
       public static synchronized void incrementStatic() {
           sharedCounter++;
       }
   }
   
   

   在这个例子中，对incrementStatic方法的访问将受到类锁的保护，确保在多线程环境下，对sharedCounter的更新是原子性的。

3. 代码块锁定：通过synchronized关键字包裹一个代码块，显式指定锁对象：

   public class SynchronizedExample {
       private final Object lock = new Object();
   
       public void blockLockingMethod() {
           synchronized (lock) {
               // 临界区代码
           }
       }
   
   

   在这里，我们创建了一个独立的对象lock用作锁，只有获得了这把锁的线程才能执行代码块内的内容。

synchronized关键字保证了其修饰的方法或代码块在同一时间只能由单个线程访问，从而避免了因多个线程同时修改数据导致的数据不一致问题，有效地实现了多线程环境下的同步控制。随着JVM对锁性能优化的不断深入，还引入了偏向锁、轻量级锁和重量级锁等不同级别的锁状态，使得Java多线程同步更加灵活高效。

synchronized原理

在Java多线程编程中，synchronized关键字所实现的同步机制深入底层，与JVM内部对象头结构密切相关。每个Java对象都拥有一个对象头(Object Header)，它是内存中存放对象元数据的地方，包含了对象的Mark Word区域，这个区域用于存储对象的hashCode、GC分代年龄以及锁状态等信息。

Java对象头与锁状态

对象头结构：非数组类型的Java对象，其对象头占用2个机器字宽，对于32位系统是32位，64位系统则是64位。Mark Word中的一部分空间被用来记录锁的状态，包括无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁四种状态。

这里着重关注一些Mark Word 的内容：