你真的了解Java监视器锁和Synchronized关键字吗？

在Java中，多线程并发访问共享资源是一个经常遇到的问题。为了保证数据的正确性和一致性，在多线程编程中需要使用同步机制来实现对临界资源的互斥访问。Java中的synchronized关键字提供了一种简单而有效的同步机制，可以用于保护临界区。

临界区的概念

在多线程的程序中，临界区指的是一段需要互斥访问的代码块，即同一时间只能由一个线程执行的代码。在这段代码执行期间，如果其他线程试图访问该代码块，那么它们会被阻塞，直到当前线程释放了锁。

相对应地，非临界区指的是所有不需要互斥访问的代码，也就是说，多个线程可以同时执行该代码，而不会有数据竞争或并发问题。

在Java中，synchronized关键字用于保证对临界区代码的互斥访问，使得在任何时刻只有一个线程可以执行该代码。但是，synchronized不能保证对非临界区代码的可见性和有序性，因此，在修改共享变量的值、检查共享变量的状态等操作时，需要注意使用volatile关键字或其他同步机制来确保线程之间的正确协作。

1、监视器锁和Java对象

在Java中，每个对象都有一个关联的监视器锁，也称为内部锁或隐式锁。每个锁都有一个相关的等待集(Wait Set)和唤醒集(Notification Set)。当一个线程试图获取该对象的锁时，如果该锁已经被其他线程持有，则该线程将被阻塞，直到该锁被释放。当一个线程持有该锁时，其他线程试图获取该锁时会进入锁的等待集，并在该锁被释放并通知时尝试重新获取锁。

2、synchronized关键字的使用

synchronized关键字可以用于控制对临界资源的访问。它可以用于方法上或代码块上，并将其作为一个锁来进行同步。当一个线程执行synchronized方法或代码块时，它将获取与该方法或代码块关联的对象的锁。如果其他线程试图获取相同对象上的锁，则它们将被阻塞，直到该锁被释放。

下面是一个简单的示例，展示了如何使用synchronized来实现对临界资源的同步访问：

public class Counter {
    private int count = 0;

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

    public synchronized void decrement() {
        count--;
    }

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

在这个例子中，increment、decrement和getCount方法都被声明为synchronized，并且它们都操作Counter对象的共享状态。当一个线程调用其中一个方法时，它将获取Counter对象的锁，并允许该线程访问其中的代码。其他线程将被阻塞，直到锁被释放。

需要注意的是，在Java中，每个对象只有一个锁。因此，如果一个类中有多个同步方法或代码块，它们都将竞争同一个锁。这意味着，如果多个线程同时调用这些方法或代码块，它们只能以串行方式执行，从而降低了并发效率。因此，我们应该尽可能地减少同步代码块的大小和范围，以便使其他线程能够更快地访问临界资源。

3、监视器锁原理

在JVM层面，每个对象都有一个关联的监视器锁。当一个线程试图获取该对象的锁时，如果该锁已经被其他线程持有，则该线程将进入阻塞状态。

在字节码层面，synchronized关键字通过monitorenter和monitorexit指令来实现对临界资源的同步访问。这两个指令可以分别看作是获取锁和释放锁的操作。当一个线程执行到monitorenter指令时，它将尝试获取对象的锁。如果该锁已经被其他线程持有，则该线程将进入阻塞状态。当线程执行到monitorexit指令时，它将释放对象的锁，并唤醒等待集中的线程来竞争锁。

在上面的代码示例中，increment、decrement和getCount方法的实现都包含一个同步块，其中使用了synchronized(this)来获取Counter对象的锁。当线程执行到这个同步块时，它会执行monitorenter指令来获取锁，并在退出同步块时执行monitorexit指令来释放锁。需要注意的是，如果多个线程同时调用这些方法，并且它们持有不同的Counter对象，那么它们将竞争不同的锁，并且能够并发地执行。因此，在编写多线程程序时，应该尽量使用局部变量来限制锁的范围，以避免多个线程竞争同一个锁而导致性能下降。

4、synchronized关键字的进阶使用技巧

除了基本的同步机制外，synchronized关键字还提供了一些进阶的使用技巧，可以更加灵活地控制对临界资源的访问。下面介绍几种常见的技巧：

（1）synchronized块

除了将synchronized关键字用于方法声明外，它还可以用于代码块。在这种情况下，同步块的范围可以更加灵活，从而使得多个线程可以并发地执行非临界代码。下面是一个示例代码：

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

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

    public void decrement() {
        synchronized (lock) {
            count--;
        }
    }

    public int getCount() {
        synchronized (lock) {
            return count;
        }
    }
}

在这个例子中，我们使用了一个Object对象作为锁，并在每个方法内部使用synchronized(lock)来实现同步访问。由于锁的范围被限制在同步块内部，因此多个线程可以并发地执行非临界代码。

需要注意的是，在使用synchronized块时，我们应该尽量使用局部变量或私有实例变量作为锁对象，以避免和其他类共享锁对象而导致死锁等问题。

（2）synchronized静态方法

除了将synchronized关键字用于实例方法外，它还可以用于静态方法。在这种情况下，锁对象是该类的Class对象。下面是一个示例代码：

public class Counter {
    private static int count = 0;

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

    public static synchronized void decrement() {
        count--;
    }

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

在这个例子中，我们将synchronized关键字用于静态方法，并使用类的Class对象作为锁。由于锁对象是唯一的，因此多个线程将串行地执行方法。

需要注意的是，在使用synchronized静态方法时，我们应该尽可能地避免阻塞和竞争，以提高程序的并发性能。

（3）可重入性

Java的synchronized关键字实现了可重入性，也就是说，如果一个线程已经持有了某个对象的锁，那么它可以再次获取该对象的锁，从而继续访问临界资源。这种机制可以有效地避免死锁和饿死等问题。

在上面代码示例中，increment方法调用了decrement方法，并且两个方法都使用了synchronized关键字来同步访问。由于这两个方法都被声明为synchronized，因此它们都需要获取Counter对象的锁来执行。如果一个线程已经持有了该锁，那么它可以继续获取该锁而不会被阻塞，从而避免了死锁问题。

需要注意的是，在使用可重入性时，我们应该尽可能地避免嵌套锁和递归锁，以避免死锁和性能问题。

（4）volatile关键字

虽然synchronized关键字可以保证对临界资源的同步访问，但它并不能保证对非临界资源的可见性。换句话说，如果一个线程修改了一个变量的值，但该变量没有被声明为volatile或使用同步机制进行同步访问，那么其他线程可能无法看到该变量的新值。

下面是一个示例代码：

public class Counter {
    private int count = 0;
    private boolean flag = false;

    public void increment() {
        count++;
        flag = true;
    }

    public int getCount() {
        if (flag) {
            return count;
        } else {
            return -1;
        }
    }
}

在这个例子中，increment方法将count变量的值增加1，并设置flag变量的值为true。getCount方法检查flag变量的值，如果为true，则返回count变量的值；否则返回-1。由于flag变量没有被声明为volatile或使用同步机制进行同步访问，因此它的值可能无法被其他线程看到，从而导致getCount方法返回错误的结果。

为了解决这个问题，我们可以使用volatile关键字来保证对变量的可见性和有序性。下面是一个修改后的示例代码：

public class Counter {
    private volatile int count = 0;
    private volatile boolean flag = false;

    public void increment() {
        count++;
        flag = true;
    }

    public int getCount() {
        if (flag) {
            return count;
        } else {
            return -1;
        }
    }
}

在这个例子中，我们将count和flag变量都声明为volatile，以保证它们的可见性和有序性。这样，当一个线程修改了count或flag变量的值时，其他线程可以立即看到该变化。

需要注意的是，在使用volatile关键字时，我们应该避免使用复合操作以及依赖于先前状态的操作，以确保对变量的操作的原子性和一致性。

5、一些常见问题

在使用synchronized关键字时，我们应该避免以下常见的错误和陷阱：

（1）不要过度同步

在多线程编程中，过度同步可能会导致死锁、饥饿等问题，并且降低程序的并发性能。因此，我们应该尽可能地减少同步代码块的大小和范围，以便使其他线程能够更快地访问非临界资源。

（2）避免死锁

死锁是多线程编程中常见的问题之一，它会导致多个线程相互等待彼此释放锁而无法继续执行。避免死锁的关键是正确地掌握锁的粒度和顺序，并尽可能地减少锁的嵌套层数。

（3）善用Wait和Notify

Java提供了Wait和Notify机制来协调多个线程对共享资源的访问。在使用这些机制时，我们应该注意正确地使用锁对象，并避免出现死锁、饥饿等问题。

（4）不要依赖于原子性

虽然synchronized关键字可以保证对临界资源的同步访问，但它并不能保证对非临界资源的原子性操作。因此，在进行复合操作或依赖于先前状态的操作时，我们应该使用原子类或其他同步工具来确保操作的原子性和一致性。

6、总结

本文介绍了Java中的synchronized关键字及其基本用法、实现原理和进阶使用技巧。需要注意的是，在编写多线程程序时，我们应该注意避免常见的错误和陷阱，以确保程序的正确性和效率。

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