Synchronized：是什么、作用原理及在Java中的使用

什么是synchronized？

Synchronized是Java中的一个关键字，保证一次只有一个线程执行受保护的代码部分，防止并行访问时的数据损坏。它出现在Java的第一个版本中，并且仍然是各种水平的开发人员确保线程安全的最简单方法。

定义及其在Java中的作用

Synchronized修饰符解决两个任务：互斥（mutual exclusion）和变更可见性（visibility）。当线程离开synchronized块时，所有更改保证对进入在同一对象上同步的块的其他线程可见。

Synchronized可以应用于整个方法或任意代码块，并指定监视器对象。在这两种情况下，JVM在字节码级别插入monitorenter和monitorexit指令。

出现的背景

在没有同步的多线程应用程序中，会出现竞态条件（race condition）——当两个线程同时修改相同数据时，导致不可预测的结果。Synchronized成为Java解决这个问题的第一个和主要工具，为每个开发人员提供简单声明式语法。

Synchronized是如何工作的？

Synchronized机制基于监视器的概念——嵌入到每个Java对象中的高级同步原语。监视器在第一次对对象使用synchronized块时与该对象关联。

对象监视器

Java中的每个对象都有一个关联的监视器。当线程进入synchronized块时，它获取对象的监视器。如果监视器已经被另一个线程占用，该线程将被阻塞直到释放。在字节码中，这对应于monitorenter和monitorexit指令对。

锁定状态（偏向锁）

JVM通过多个级别优化synchronized：偏向锁用于单线程访问，轻量级锁用于低竞争，重量级锁用于涉及操作系统的高强度竞争。这些级别在不改变代码的情况下提高性能。

class Counter {
    private int count = 0;

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

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

Happens-before规则

Synchronized建立happens-before关系：线程在离开synchronized块之前的所有操作，对之后进入在同一对象上同步的块的另一个线程可见。这不仅保证互斥，还保证所有线程的数据一致性。

Synchronized方法与块

Java提供两种应用synchronized的方式：在方法级别和在块级别。选择会影响性能和同步粒度。

Synchronized方法

使用synchronized修饰符标记方法，会自动在当前实例上（对于普通方法）或在Class对象上（对于静态方法）同步它。这是确保互斥的最简单方法，但如果关键部分只占方法的很小一部分而其余代码不需要同步，则通常是多余的。

Synchronized块

Synchronized块提供精确控制：指定监视器对象并仅同步所需的代码部分，将方法的其余部分保留在锁定之外。这最小化了监视器的持有时间，并在多线程环境中提高了应用程序的整体性能，因为其他线程可以并行执行不相关的代码，而无需等待监视器释放。

class DataProcessor {
    private final Object lock = new Object();

    public void process() {
        // 临界区外的代码 - 无同步
        prepareData()

        synchronized (lock) {
            // 只有这个块受到保护
            updateSharedState()
        }

        // 无锁继续
        cleanup()
    }
}

Android中的Synchronized

在Android开发中，synchronized广泛用于保护SharedPreferences、数据库访问和UI组件。然而，由于界面冻结的风险，强烈不推荐在主线程上使用它。

与SharedPreferences的使用

Android中的SharedPreferences提供基本的线程安全性，但通过Editor由多个线程编辑时，可能需要外部同步。带有单独锁定对象的synchronized块保证更改的一致性。

class PreferencesManager(private val prefs: SharedPreferences) {
    private val lock = Any()

    fun writeToken(token: String) {
        synchronized (lock) {
            prefs.edit()
                .putString("auth_token", token)
                .apply()
        }
    }
}

Android应用程序中的限制

Android中synchronized的主要限制是线程阻塞。与带有Mutex的协程不同，synchronized会阻塞整个系统线程。在主线程上，这会导致ANR。在现代Android开发中，建议用协程（suspend Mutex）或原子类型（AtomicInteger）替换synchronized。

Synchronized的替代方案

现代Java和Kotlin提供了几种synchronized的替代方案，每种方案都以更少的限制或更好的性能解决相同的任务。

来自java.util.concurrent的Lock

Lock接口及其实现ReentrantLock和ReadWriteLock提供超时、可中断等待和多个Condition队列。它比synchronized更灵活，但需要在finally中显式释放，这增加了忘记解锁时的错误风险。

原子类

AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference等类使用基于CAS（Compare-And-Swap）的无锁算法。在中等竞争场景中，它们明显比synchronized快，因为它们不会阻塞线程，而是执行乐观重试，并且不需要操作系统内核进行上下文切换。

ThreadLocal与线程安全

ThreadLocal提供了一种替代方法：每个ThreadLocal变量在一个线程范围内被隔离，无需同步即可读写。这完全消除了对不应该在线程间共享的数据进行synchronized的需要。ThreadLocal在框架（Spring、Hibernate）中积极用于存储事务上下文和会话。

协程与compose方法

在Android的Kotlin项目中，synchronized的替代方案是来自kotlinx.coroutines的Mutex。它不会阻塞操作系统线程，而是挂起协程直到锁定释放——这使得能够有效利用池线程，并在等待资源释放时避免ANR。

import kotlinx.coroutines.sync.Mutex
import kotlinx.coroutines.sync.withLock

val mutex = Mutex()
var counter = 0

suspend fun safeIncrement() {
    mutex.withLock {
        counter++
    }
}

Synchronized的性能

Synchronized的性能在最近的Java版本中发生了显著变化。以前被认为是一种"沉重"的机制，但现代JVM通过JIT编译器的先进优化消除了大部分开销。让我们详细看看虚拟机如何在运行时加速同步代码。

偏向锁与锁粗化

JVM的JIT编译器应用了几种优化：偏向锁在锁总是被一个线程获取时消除同步；锁粗化将相邻的synchronized块合并为一个；锁消除在对象只对一个线程可访问时移除同步。这些优化使synchronized在低竞争下几乎免费。

竞争测量与优化选择

JVM确定每个对象的竞争级别：在无竞争时启用偏向锁，在第二个线程出现时锁转为带自旋等待的轻量级模式，只有在长时间等待时才转为带系统互斥量的重量级。这种升级是自动发生的，开发人员不需要手动选择策略。

与Lock和原子类的比较

在现代基准测试中（Java 17+），synchronized在低和中等竞争下表现出与ReentrantLock相当的性能。在高竞争下，Lock由于更高效的支持超时和中断的等待队列而可能具有优势。对于竞争恒定的高负载系统，公平模式下的ReentrantLock提供更可预测的行为。

原子类（AtomicInteger、AtomicReference）由于基于CAS的无锁实现，对于简单计数器和标志仍然是最快的。它们根本不会阻塞线程——发生冲突时，操作只是在循环中重试。在4-8个线程的计数器增量操作中，与synchronized相比，这提供了3-5倍的性能提升。