在Java中，多線程并發(fā)訪問共享資源是一個(gè)經(jīng)常遇到的問題。為了保證數(shù)據(jù)的正確性和一致性，在多線程編程中需要使用同步機(jī)制來實(shí)現(xiàn)對(duì)臨界資源的互斥訪問。Java中的synchronized關(guān)鍵字提供了一種簡單而有效的同步機(jī)制，可以用于保護(hù)臨界區(qū)。

臨界區(qū)的概念

在多線程的程序中，臨界區(qū)指的是一段需要互斥訪問的代碼塊，即同一時(shí)間只能由一個(gè)線程執(zhí)行的代碼。在這段代碼執(zhí)行期間，如果其他線程試圖訪問該代碼塊，那么它們會(huì)被阻塞，直到當(dāng)前線程釋放了鎖。

相對(duì)應(yīng)地，非臨界區(qū)指的是所有不需要互斥訪問的代碼，也就是說，多個(gè)線程可以同時(shí)執(zhí)行該代碼，而不會(huì)有數(shù)據(jù)競爭或并發(fā)問題。

在Java中，synchronized關(guān)鍵字用于保證對(duì)臨界區(qū)代碼的互斥訪問，使得在任何時(shí)刻只有一個(gè)線程可以執(zhí)行該代碼。但是，synchronized不能保證對(duì)非臨界區(qū)代碼的可見性和有序性，因此，在修改共享變量的值、檢查共享變量的狀態(tài)等操作時(shí)，需要注意使用volatile關(guān)鍵字或其他同步機(jī)制來確保線程之間的正確協(xié)作。

1、監(jiān)視器鎖和Java對(duì)象

在Java中，每個(gè)對(duì)象都有一個(gè)關(guān)聯(lián)的監(jiān)視器鎖，也稱為內(nèi)部鎖或隱式鎖。每個(gè)鎖都有一個(gè)相關(guān)的等待集(Wait Set)和喚醒集(Notification Set)。當(dāng)一個(gè)線程試圖獲取該對(duì)象的鎖時(shí)，如果該鎖已經(jīng)被其他線程持有，則該線程將被阻塞，直到該鎖被釋放。當(dāng)一個(gè)線程持有該鎖時(shí)，其他線程試圖獲取該鎖時(shí)會(huì)進(jìn)入鎖的等待集，并在該鎖被釋放并通知時(shí)嘗試重新獲取鎖。

2、synchronized關(guān)鍵字的使用

synchronized關(guān)鍵字可以用于控制對(duì)臨界資源的訪問。它可以用于方法上或代碼塊上，并將其作為一個(gè)鎖來進(jìn)行同步。當(dāng)一個(gè)線程執(zhí)行synchronized方法或代碼塊時(shí)，它將獲取與該方法或代碼塊關(guān)聯(lián)的對(duì)象的鎖。如果其他線程試圖獲取相同對(duì)象上的鎖，則它們將被阻塞，直到該鎖被釋放。

下面是一個(gè)簡單的示例，展示了如何使用synchronized來實(shí)現(xiàn)對(duì)臨界資源的同步訪問：

public class Counter {
    private int count = 0;

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

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

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

在這個(gè)例子中，increment、decrement和getCount方法都被聲明為synchronized，并且它們都操作Counter對(duì)象的共享狀態(tài)。當(dāng)一個(gè)線程調(diào)用其中一個(gè)方法時(shí)，它將獲取Counter對(duì)象的鎖，并允許該線程訪問其中的代碼。其他線程將被阻塞，直到鎖被釋放。

需要注意的是，在Java中，每個(gè)對(duì)象只有一個(gè)鎖。因此，如果一個(gè)類中有多個(gè)同步方法或代碼塊，它們都將競爭同一個(gè)鎖。這意味著，如果多個(gè)線程同時(shí)調(diào)用這些方法或代碼塊，它們只能以串行方式執(zhí)行，從而降低了并發(fā)效率。因此，我們應(yīng)該盡可能地減少同步代碼塊的大小和范圍，以便使其他線程能夠更快地訪問臨界資源。

3、監(jiān)視器鎖原理

在JVM層面，每個(gè)對(duì)象都有一個(gè)關(guān)聯(lián)的監(jiān)視器鎖。當(dāng)一個(gè)線程試圖獲取該對(duì)象的鎖時(shí)，如果該鎖已經(jīng)被其他線程持有，則該線程將進(jìn)入阻塞狀態(tài)。

在字節(jié)碼層面，synchronized關(guān)鍵字通過monitorenter和monitorexit指令來實(shí)現(xiàn)對(duì)臨界資源的同步訪問。這兩個(gè)指令可以分別看作是獲取鎖和釋放鎖的操作。當(dāng)一個(gè)線程執(zhí)行到monitorenter指令時(shí)，它將嘗試獲取對(duì)象的鎖。如果該鎖已經(jīng)被其他線程持有，則該線程將進(jìn)入阻塞狀態(tài)。當(dāng)線程執(zhí)行到monitorexit指令時(shí)，它將釋放對(duì)象的鎖，并喚醒等待集中的線程來競爭鎖。

在上面的代碼示例中，increment、decrement和getCount方法的實(shí)現(xiàn)都包含一個(gè)同步塊，其中使用了synchronized(this)來獲取Counter對(duì)象的鎖。當(dāng)線程執(zhí)行到這個(gè)同步塊時(shí)，它會(huì)執(zhí)行monitorenter指令來獲取鎖，并在退出同步塊時(shí)執(zhí)行monitorexit指令來釋放鎖。需要注意的是，如果多個(gè)線程同時(shí)調(diào)用這些方法，并且它們持有不同的Counter對(duì)象，那么它們將競爭不同的鎖，并且能夠并發(fā)地執(zhí)行。因此，在編寫多線程程序時(shí)，應(yīng)該盡量使用局部變量來限制鎖的范圍，以避免多個(gè)線程競爭同一個(gè)鎖而導(dǎo)致性能下降。

4、synchronized關(guān)鍵字的進(jìn)階使用技巧

除了基本的同步機(jī)制外，synchronized關(guān)鍵字還提供了一些進(jìn)階的使用技巧，可以更加靈活地控制對(duì)臨界資源的訪問。下面介紹幾種常見的技巧：

（1）synchronized塊

除了將synchronized關(guān)鍵字用于方法聲明外，它還可以用于代碼塊。在這種情況下，同步塊的范圍可以更加靈活，從而使得多個(gè)線程可以并發(fā)地執(zhí)行非臨界代碼。下面是一個(gè)示例代碼：

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;
        }
    }
}

在這個(gè)例子中，我們使用了一個(gè)Object對(duì)象作為鎖，并在每個(gè)方法內(nèi)部使用synchronized(lock)來實(shí)現(xiàn)同步訪問。由于鎖的范圍被限制在同步塊內(nèi)部，因此多個(gè)線程可以并發(fā)地執(zhí)行非臨界代碼。

需要注意的是，在使用synchronized塊時(shí)，我們應(yīng)該盡量使用局部變量或私有實(shí)例變量作為鎖對(duì)象，以避免和其他類共享鎖對(duì)象而導(dǎo)致死鎖等問題。

（2）synchronized靜態(tài)方法

除了將synchronized關(guān)鍵字用于實(shí)例方法外，它還可以用于靜態(tài)方法。在這種情況下，鎖對(duì)象是該類的Class對(duì)象。下面是一個(gè)示例代碼：

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;
    }
}

在這個(gè)例子中，我們將synchronized關(guān)鍵字用于靜態(tài)方法，并使用類的Class對(duì)象作為鎖。由于鎖對(duì)象是唯一的，因此多個(gè)線程將串行地執(zhí)行方法。

需要注意的是，在使用synchronized靜態(tài)方法時(shí)，我們應(yīng)該盡可能地避免阻塞和競爭，以提高程序的并發(fā)性能。

（3）可重入性

Java的synchronized關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)了可重入性，也就是說，如果一個(gè)線程已經(jīng)持有了某個(gè)對(duì)象的鎖，那么它可以再次獲取該對(duì)象的鎖，從而繼續(xù)訪問臨界資源。這種機(jī)制可以有效地避免死鎖和餓死等問題。

在上面代碼示例中，increment方法調(diào)用了decrement方法，并且兩個(gè)方法都使用了synchronized關(guān)鍵字來同步訪問。由于這兩個(gè)方法都被聲明為synchronized，因此它們都需要獲取Counter對(duì)象的鎖來執(zhí)行。如果一個(gè)線程已經(jīng)持有了該鎖，那么它可以繼續(xù)獲取該鎖而不會(huì)被阻塞，從而避免了死鎖問題。

需要注意的是，在使用可重入性時(shí)，我們應(yīng)該盡可能地避免嵌套鎖和遞歸鎖，以避免死鎖和性能問題。

（4）volatile關(guān)鍵字

雖然synchronized關(guān)鍵字可以保證對(duì)臨界資源的同步訪問，但它并不能保證對(duì)非臨界資源的可見性。換句話說，如果一個(gè)線程修改了一個(gè)變量的值，但該變量沒有被聲明為volatile或使用同步機(jī)制進(jìn)行同步訪問，那么其他線程可能無法看到該變量的新值。

下面是一個(gè)示例代碼：

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;
        }
    }
}

在這個(gè)例子中，increment方法將count變量的值增加1，并設(shè)置flag變量的值為true。getCount方法檢查flag變量的值，如果為true，則返回count變量的值；否則返回-1。由于flag變量沒有被聲明為volatile或使用同步機(jī)制進(jìn)行同步訪問，因此它的值可能無法被其他線程看到，從而導(dǎo)致getCount方法返回錯(cuò)誤的結(jié)果。

為了解決這個(gè)問題，我們可以使用volatile關(guān)鍵字來保證對(duì)變量的可見性和有序性。下面是一個(gè)修改后的示例代碼：

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;
        }
    }
}

在這個(gè)例子中，我們將count和flag變量都聲明為volatile，以保證它們的可見性和有序性。這樣，當(dāng)一個(gè)線程修改了count或flag變量的值時(shí)，其他線程可以立即看到該變化。

需要注意的是，在使用volatile關(guān)鍵字時(shí)，我們應(yīng)該避免使用復(fù)合操作以及依賴于先前狀態(tài)的操作，以確保對(duì)變量的操作的原子性和一致性。

5、一些常見問題

在使用synchronized關(guān)鍵字時(shí)，我們應(yīng)該避免以下常見的錯(cuò)誤和陷阱：

（1）不要過度同步

在多線程編程中，過度同步可能會(huì)導(dǎo)致死鎖、饑餓等問題，并且降低程序的并發(fā)性能。因此，我們應(yīng)該盡可能地減少同步代碼塊的大小和范圍，以便使其他線程能夠更快地訪問非臨界資源。

（2）避免死鎖

死鎖是多線程編程中常見的問題之一，它會(huì)導(dǎo)致多個(gè)線程相互等待彼此釋放鎖而無法繼續(xù)執(zhí)行。避免死鎖的關(guān)鍵是正確地掌握鎖的粒度和順序，并盡可能地減少鎖的嵌套層數(shù)。

（3）善用Wait和Notify

Java提供了Wait和Notify機(jī)制來協(xié)調(diào)多個(gè)線程對(duì)共享資源的訪問。在使用這些機(jī)制時(shí)，我們應(yīng)該注意正確地使用鎖對(duì)象，并避免出現(xiàn)死鎖、饑餓等問題。

（4）不要依賴于原子性

雖然synchronized關(guān)鍵字可以保證對(duì)臨界資源的同步訪問，但它并不能保證對(duì)非臨界資源的原子性操作。因此，在進(jìn)行復(fù)合操作或依賴于先前狀態(tài)的操作時(shí)，我們應(yīng)該使用原子類或其他同步工具來確保操作的原子性和一致性。

6、總結(jié)

本文介紹了Java中的synchronized關(guān)鍵字及其基本用法、實(shí)現(xiàn)原理和進(jìn)階使用技巧。需要注意的是，在編寫多線程程序時(shí)，我們應(yīng)該注意避免常見的錯(cuò)誤和陷阱，以確保程序的正確性和效率。