Java中的synchronized：深入理解与高效使用
一、引言
在多线程编程中，数据的一致性和线程安全是至关重要的。synchronized关键字是Java提供的一种内置的同步机制，用于确保在同一时刻，只有一个线程能够访问被同步的代码块或方法，从而避免数据竞争和其他并发问题。本文将详细介绍synchronized的基础概念、使用方法、常见实践以及最佳实践。
二、基础概念
2.1 线程安全问题
在多线程环境下，当多个线程同时访问和修改共享资源时，可能会导致数据不一致或其他不可预测的行为。例如，两个线程同时读取一个共享变量的值，然后各自对其进行修改并写回，这可能会导致其中一个线程的修改被覆盖，从而产生数据丢失。
2.2 监视器（Monitor）
synchronized关键字的实现依赖于Java中的监视器（Monitor）机制。每个对象都有一个与之关联的监视器，当一个线程访问被synchronized修饰的代码块或方法时，它首先需要获取该对象的监视器。只有获得监视器的线程才能进入同步区域，而其他线程则会被阻塞，直到监视器被释放。
三、使用方法
3.1 修饰实例方法
当synchronized修饰一个实例方法时，它锁定的是调用该方法的对象实例。也就是说，同一时刻，只有一个线程能够访问该对象的被同步的实例方法。
public class SynchronizedExample {
private int count = 0;
public synchronized void increment() {
count++;
}
public int getCount() {
return count;
}
}在上述示例中，increment方法被synchronized修饰，因此当多个线程同时调用increment方法时，只有一个线程能够进入该方法，从而保证了count变量的线程安全。
3.2 修饰静态方法
当synchronized修饰一个静态方法时，它锁定的是该类的Class对象。因为静态方法属于类，而不是对象实例，所以同一时刻，只有一个线程能够访问该类的被同步的静态方法。
public class StaticSynchronizedExample {
private static int count = 0;
public static synchronized void increment() {
count++;
}
public static int getCount() {
return count;
}
}3.3 修饰代码块
synchronized还可以修饰代码块，这种方式更加灵活，可以指定锁定的对象。
public class SynchronizedBlockExample {
private int count = 0;
private final Object lock = new Object();
public void increment() {
synchronized (lock) {
count++;
}
}
public int getCount() {
return count;
}
}在上述示例中，increment方法中的synchronized代码块锁定了lock对象。只有获得lock对象监视器的线程才能进入该代码块，从而保证了count变量的线程安全。
四、常见实践
4.1 保护共享资源
在多线程环境下，对共享资源的访问需要进行同步，以确保数据的一致性。例如，在一个银行账户类中，对余额的修改操作需要使用synchronized来保证线程安全。
public class BankAccount {
private double balance;
public BankAccount(double initialBalance) {
this.balance = initialBalance;
}
public synchronized void deposit(double amount) {
if (amount > 0) {
balance += amount;
}
}
public synchronized boolean withdraw(double amount) {
if (amount > 0 && amount <= balance) {
balance -= amount;
return true;
}
return false;
}
public double getBalance() {
return balance;
}
}4.2 实现线程安全的单例模式
单例模式是一种常见的设计模式，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来保证单例的创建过程是线程安全的。
public class Singleton {
private static Singleton instance;
private Singleton() {}
public static synchronized Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}上述实现方式虽然保证了线程安全，但在每次调用getInstance方法时都会进行同步，性能较低。可以使用双重检查锁定（Double-Checked Locking）来优化性能。
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;
}
}五、最佳实践
5.1 尽量缩小同步范围
同步代码块或方法的执行时间越长，对性能的影响就越大。因此，应该尽量将同步范围缩小到只包含需要保护的关键代码。
public class SynchronizedBestPractice {
private int count = 0;
public void increment() {
int temp;
synchronized (this) {
temp = count;
temp++;
count = temp;
}
// 其他不需要同步的代码
}
}5.2 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资源时，就会发生死锁。为了避免死锁，应该遵循以下原则：
- 尽量减少锁的嵌套使用。
- 按照相同的顺序获取锁。
- 设置合理的锁获取超时时间。
5.3 使用并发集合类
Java提供了许多并发集合类，如ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList等，这些类内部已经实现了线程安全，使用它们可以避免手动同步带来的复杂性和性能问题。
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
public class ConcurrentCollectionExample {
private ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();
public void put(String key, Integer value) {
map.put(key, value);
}
public Integer get(String key) {
return map.get(key);
}
}六、小结
synchronized关键字是Java中实现线程同步的重要机制，通过锁定对象的监视器，确保同一时刻只有一个线程能够访问被同步的代码块或方法。在使用synchronized时，需要理解其基础概念，掌握不同的使用方法，并遵循最佳实践，以确保代码的线程安全和性能优化。同时，也要注意避免死锁等常见问题。通过合理使用synchronized和其他并发工具，能够编写出高效、可靠的多线程程序。
希望本文能够帮助读者深入理解并高效使用Java中的synchronized关键字。如果有任何问题或建议，欢迎在评论区留言。