synchronized工作原理及最佳实践指南

1. synchronized的基本用法与案例分析

1.1. 同步实例方法：对象锁的基本概念

1.1.1. 代码示例：无同步情况下的问题

在没有同步机制的环境下，当多个线程访问同一对象的非同步方法时，会导致资源共享的问题，从而出现数据不一致的现象。

public class Counter {
    private int count = 0;

    public void increment() {
        count++;
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Counter counter = new Counter();

        Thread threadA = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                counter.increment();
            }
        });

        Thread threadB = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                counter.increment();
            }
        });

        threadA.start();
        threadB.start();

        try {
            threadA.join();
            threadB.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("Final count is: " + counter.getCount());
    }
}

在上述代码中，我们期望最终的count值为20000。但是，由于线程安全问题，实际输出的结果可能会少于20000。

1.1.2. 代码示例：同步实例方法示例

为了解决这个问题，我们可以在increment方法前加上synchronized关键字。

public class Counter {
    private int count = 0;

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

    // 其余代码与之前相同
}

加上synchronized后，每次只有一个线程能持有对象锁，从而避免了并发访问时的数据不一致问题。

1.1.3. 案例分析：对象锁的工作机制

当一个线程访问对象的一个synchronized同步方法时，该线程便持有了该方法所在对象的锁。该锁会保护方法中所有的代码，使得其他线程无法同时执行任何其他的synchronized同步方法。

1.2. 同步静态方法：类锁的应用

1.2.1. 代码示例：静态方法同步

和实例方法锁定对象不同，静态方法同步是锁定的类，也就是.class对象。让我们看一个简单的同步静态方法例子：

public class StaticCounter {
    private static int count = 0;

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

    public static int getCount() {
        return count;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Thread threadA = new Thread(StaticCounter::increment);
        Thread threadB = new Thread(StaticCounter::increment);

        threadA.start();
        threadB.start();

        try {
            threadA.join();
            threadB.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("Final static count is: " + StaticCounter.getCount());
    }
}

在这个例子中，increment是一个同步静态方法，它会锁定StaticCounter.class类对象，确保多线程操作的线程安全。

1.2.2. 案例分析：类锁与对象锁的区别

类锁和对象锁是两个不同的概念。对象锁是每个实例特有的，不同实例之间的对象锁不会相互影响。而类锁是类级别的，所有实例共享同一个类锁，静态同步方法无论被哪个实例调用，都是同步的。

1.3. 同步代码块：精细控制同步

1.3.1. 代码示例：同步代码块用法

我们可以通过同步代码块来控制同步的粒度，以提高效率：

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

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

    // 其余代码与之前相同
}

在这个例子中，我们没有同步整个方法，仅同步了增加count的那一小部分代码。这样，如果increment方法中还有其他逻辑，它们就不会被同步锁影响。

1.3.2. 案例分析：提升性能的同步策略

使用同步代码块而不是同步整个方法可以显著提高应用程序的性能，因为它减少了线程持有锁的时间。不过，选择正确的锁对象和确保所有相关操作都在同步控制之下仍然至关重要。

2. synchronized的工作原理详解

2.1. 深入JVM：synchronized的内部实现

2.1.1. 从字节码视角理解同步

要理解synchronized的工作原理，首先需要从字节码的角度来看。当我们在方法上使用synchronized关键字时，JVM在编译后的字节码中会使用monitorenter和monitorexit指令来实现同步。

public synchronized void syncMethod() {
    // 方法体
}


编译后的字节码中的关键部分看起来是这样的：

0: monitorenter  
// 方法体的字节码
n: monitorexit

当线程进入syncMethod方法时，它将执行monitorenter指令，试图获取对象的监视器锁。如果获取成功，则进入方法体执行；如果获取失败，则该线程进入阻塞状态，直到其他线程释放锁。

2.1.2. 对象头中的Mark Word结构

每个Java对象的对象头中有一部分称为Mark Word，它记录了对象、锁以及垃圾收集相关的信息。当一个线程尝试同步一个对象时，JVM会使用CAS操作（比较并交换）尝试更新这个对象头的Mark Word来获取锁。
如果没有竞争，这个线程将成功地占有锁，并将锁的标记改成指向该线程的锁记录。

2.1.3. 加锁过程的内存语义

synchronized的加锁和解锁过程建立了一个内存屏障，保证了特定操作的顺序性和可见性。简而言之，当线程释放锁时，它之前的操作必须对随后获得同一个锁的其他线程可见。

2.2. 锁的状态变化：偏向锁、轻量级锁与重量级锁

2.2.1. 锁优化：JVM的锁升级过程

为了在不同的竞争情况下提供最佳性能，JVM采用了锁的逐步升级策略，包含偏向锁，轻量级锁及重量级锁。

偏向锁：适用于只有一个线程访问同步块的场景。
轻量级锁：适用于线程交替执行同步块的场景。
重量级锁：适用于多线程同时竞争同步块的场景。

2.2.2. 实战：使用jol（Java Object Layout）工具分析锁状态

我们可以通过jol工具来查看对象在内存中的布局，包括锁的状态。下面是一个简单的使用jol的示例：

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

public class JOLExample {
    public static void main(String[] args) {
        Object lock = new Object();
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(lock).toPrintable());
    }
}

在这个示例中，我们创建了一个新的Object实例，并打印了它在内存中的布局信息。

2.3. 线程安全机制：监视器模式的实现

2.3.1. Java内存模型（JMM）与线程安全

Java内存模型定义了共享变量的可见性、原子性以及有序性，对实现高效的线程安全机制至关重要。synchronized关键字结合JMM保证了操作的原子性和内存的可见性。

2.3.2. synchronized与wait/notify机制

synchronized另外一个重要的特性是，它可以与Object的wait()和notify()方法结合使用，来实现等待/通知模式。这个模式是多线程协作的一种机制。

public synchronized void waitForCondition() throws InterruptedException {
    while (someConditionIsNotMet()) {
        wait();
    }
    // 对条件满足后的处理
}

public synchronized void notifyConditionChanged() {
    // 更改条件
    notifyAll(); // 或 notify()
}

在waitForCondition方法中，如果某个条件不满足，则调用wait()，使当前线程等待。而在notifyConditionChanged方法中，一旦条件变化，它将通过notifyAll()或notify()唤醒所有/一个在等待的线程。

3. 运行结果与多线程行为剖析

3.1. 线程执行示范：展示同步与非同步的差异

3.1.1. 实验环境搭建与测试代码

我们将通过具体的代码示例来展现同步与非同步的运行结果。这需要构建一个可以模拟多线程竞争条件的测试环境。下面是设置这样一个环境的示例代码：

public class SynchronizedExperiment {
    private int syncCount = 0;
    private int nonSyncCount = 0;

    public synchronized void incrementSync() {
        syncCount++;
    }

    public void incrementNonSync() {
        nonSyncCount++;
    }

    public static void main(String[] args) {
        final SynchronizedExperiment experiment = new SynchronizedExperiment();

        // 启动一定数量的线程同时进行同步和非同步操作
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            new Thread(() -> experiment.incrementSync()).start();
            new Thread(() -> experiment.incrementNonSync()).start();
        }

        // 等待足够长的时间，确保所有线程操作完成
        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }

        System.out.println("Synchronized count is: " + experiment.syncCount);
        System.out.println("Non-synchronized count is: " + experiment.nonSyncCount);
    }
}