synchronized 关键字是 Java 中用于实现线程同步的核心机制之一，它用于确保多个线程对共享资源的访问是互斥的，从而避免线程安全问题。

1. synchronized 的基本概念

• 互斥锁：synchronized 关键字可以用于方法或代码块，保证同一时间只有一个线程可以执行被保护的代码，从而实现对共享资源的互斥访问。
• 内置锁：每个 Java 对象都有一个内置的锁（Monitor），synchronized 利用这个内置锁来控制线程的访问。

2. synchronized 的使用方式

synchronized 可以用来修饰方法和代码块，下面分别进行详细说明。

2.1 修饰实例方法

• 实例方法加锁：

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

  • 当一个线程调用 increment() 方法时，其他线程将无法调用该对象的任何其他 synchronized 方法。
  • 锁的对象是当前实例 (this)，即同一实例对象的多个线程在调用同步方法时是互斥的。

2.2 修饰静态方法

• 静态方法加锁：

  public static synchronized void print() {
      System.out.println("Static method");
  }
  

  • 锁的对象是类的 Class 对象 (ClassName.class)，即针对所有该类的实例共享同一把锁。
  • 保证同一类的多个线程在调用 synchronized 静态方法时是互斥的。

2.3 修饰代码块

• 同步代码块：

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

  • 可以在方法内部使用 synchronized 关键字包裹部分代码，减少锁的粒度，从而提高程序的并发性。
  • 可以对不同的对象加锁，比如 synchronized (lock)，灵活控制同步的范围。

3. synchronized 的锁对象

synchronized 使用的锁对象可以是当前实例 (this)、类的 Class 对象 (ClassName.class)、或者是其他任意的对象。

• 对象锁：修饰实例方法或代码块，锁住的是当前对象，线程进入 synchronized 方法或代码块之前必须获得对象的锁。
• 类锁：修饰静态方法，锁住的是类的 Class 对象，保证该类的所有实例在访问同步静态方法时是互斥的。
• 自定义对象锁：通过同步代码块对某个特定对象加锁，可以灵活控制锁的粒度。例如：

  private final Object lock = new Object();
  public void performTask() {
      synchronized (lock) {
          // 代码逻辑
      }
  }
  

静态方法加锁的锁和实例方法加锁的锁是不同的：

• 静态同步方法锁住的是类级别的 Class 对象。
• 实例同步方法锁住的是具体对象级别的锁（即 this）。

因此，锁住静态方法并不会阻止其他线程访问实例方法，两个线程可以同时执行一个实例的 synchronized 实例方法和该类的 synchronized 静态方法，因为它们锁住的是不同的对象。

4. synchronized 的底层实现

synchronized 的底层是通过进入和退出对象的 Monitor（监视器）来实现的，JVM 使用 monitorenter 和 monitorexit 指令来保证同步行为。

• Monitor：Monitor 是一个同步工具，可以理解为一个重量级锁。在进入 synchronized 方法或代码块时，线程会获取 Monitor，退出时会释放 Monitor。
• 偏向锁、轻量级锁和重量级锁：JVM 对 synchronized 的实现进行了优化，引入了偏向锁、轻量级锁和重量级锁来减少获取锁的开销，以提高性能。
  • 偏向锁：当一个线程多次获得同一个锁时，JVM 会将该锁偏向于这个线程，从而减少同步开销。
  • 轻量级锁：当偏向锁被其他线程争夺时，会升级为轻量级锁。
  • 重量级锁：当多个线程竞争激烈时，锁会升级为重量级锁，阻塞其他线程。

5. synchronized 与 ReentrantLock 的比较

• 可重入性：synchronized 是可重入锁，意味着同一个线程可以多次获得同一把锁而不会发生死锁。例如，一个 synchronized 方法调用另一个 synchronized 方法时，线程不会被阻塞。
• 是否公平：synchronized 是非公平锁，不能保证线程获取锁的顺序。而 ReentrantLock 可以设置为公平锁，以保证等待时间最长的线程优先获得锁。
• 灵活性：ReentrantLock 提供了更多灵活的功能，例如可以尝试获取锁、可中断锁等待、支持多个条件变量等。而 synchronized 相对较为简单，不具备这些功能。
• 性能：在 Java 早期版本中，synchronized 的性能相对较低，但在 JDK 1.6 之后，对 synchronized 进行了大量优化，其性能与 ReentrantLock 相差无几。

6. synchronized 的优缺点

• 优点：
  • 语法简单，易于使用和理解。
  • JVM 会自动管理锁的获取和释放，不容易出错。
• 缺点：
  • 同步范围大时，可能会导致较高的性能开销。
  • synchronized 是非公平的，可能导致某些线程长期得不到锁，发生饥饿现象。
  • 没有提供显式的锁控制，功能相对较弱。

7. 适用场景

• 简单的同步场景：当需要对共享资源进行简单的线程同步操作时，使用 synchronized 是最为直接和便捷的选择。
• 多线程访问共享对象：适用于保护方法或代码块，保证同一时间只有一个线程可以执行，避免竞态条件的发生。

8. 总结

synchronized 关键字是 Java 并发编程中的重要工具之一，用于确保线程对共享资源的互斥访问。它使用 Java 的内置锁来管理线程的同步，通过保证方法或代码块在同一时间只能被一个线程执行，从而避免数据不一致的问题。尽管 synchronized 的功能相对简单，但在很多场景下，它是实现线程安全的首选方式。理解 synchronized 的底层机制和应用场景，有助于编写高效且健壮的多线程程序。