Java 中的 synchronized 和 Lock：如何保证线程安全

Java 中的 synchronized 和 Lock：如何保证线程安全

引言

在 Java 多线程编程中，线程安全是一个核心问题。当多个线程同时访问共享资源时，可能会导致数据不一致或其他不可预期的结果。synchronized关键字和Lock接口是 Java 中实现线程同步的两种主要方式，本文将深入探讨它们的工作原理、使用场景及源码实现，并通过代码样例解析其线程安全机制。

一、线程安全基础概念

1.1 什么是线程安全？

线程安全是指当多个线程访问某个类时，不管运行时环境采用何种调度方式或者这些线程将如何交替执行，并且在主调代码中不需要任何额外的同步或协同，这个类都能表现出正确的行为。

1.2 线程安全问题的根源

• 原子性：一个或多个操作在 CPU 执行过程中被中断
• 可见性：一个线程修改了共享变量的值，其他线程未能及时看到最新的值
• 有序性：程序执行的顺序可能与代码顺序不一致（指令重排序）

1.3 Java 内存模型（JMM）

Java 内存模型规定了线程之间的可见性和有序性，其核心概念包括：

• 主内存：所有变量存储的区域
• 工作内存：每个线程独立拥有的内存区域，存储线程使用的变量副本
• 内存屏障：保证特定操作的执行顺序和可见性

二、synchronized 关键字

2.1 synchronized 的基本用法

synchronized关键字可以修饰方法或代码块，确保同一时刻只有一个线程可以执行该代码：

public class SynchronizedExample {
    private int count = 0;

    // 同步方法
    public synchronized void increment() {
        count++;
    }

    // 同步代码块
    public void decrement() {
        synchronized (this) {
            count--;
        }
    }

    // 静态同步方法
    public static synchronized void staticMethod() {
        // ...
    }
}

2.2 synchronized 的底层实现

2.2.1 对象头与 Monitor

在 Java 中，每个对象都有一个对象头（Object Header），其中包含了 Mark Word。当对象被synchronized修饰时，Mark Word 会存储指向 Monitor 对象的指针。

Monitor 是 Java 中实现同步的基础，它是一个对象级的同步机制，本质上是一个锁的实现。每个 Java 对象都可以关联一个 Monitor，当一个线程尝试访问被synchronized修饰的代码块时，它必须先获得该对象的 Monitor。

2.2.2 字节码层面的实现

通过javap -v命令查看编译后的字节码，可以看到synchronized代码块使用monitorenter和monitorexit指令实现：

public void decrement();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
        stack=2, locals=3, args_size=1
            0: aload_0
            1: dup
            2: astore_1
            3: monitorenter            // 进入同步块
            4: aload_0
            5: dup
            6: getfield      #2        // Field count:I
            9: iconst_1
            10: isub
            11: putfield      #2       // Field count:I
            14: aload_1
            15: monitorexit           // 正常退出同步块
            16: goto          24
            19: astore_2
            20: aload_1
            21: monitorexit           // 异常退出同步块
            22: aload_2
            23: athrow
            24: return

2.2.3 重量级锁与轻量级锁

在 JDK 1.6 之前，synchronized 是一个重量级锁，性能较低。JDK 1.6 引入了锁升级机制，优化了 synchronized 的性能：

• 无锁状态：对象头 Mark Word 存储对象的哈希码等信息
• 偏向锁：单线程环境下，锁偏向第一个获得它的线程
• 轻量级锁：多线程环境下，线程交替执行同步块，通过 CAS 操作获取锁
• 重量级锁：多个线程同时竞争锁，向操作系统申请互斥量

2.3 synchronized 的特性

• 可重入性：同一个线程可以多次获取同一把锁
• 不可中断性：一旦线程获取锁，其他线程只能等待锁释放
• 保证原子性、可见性和有序性

三、Lock 接口与 ReentrantLock

3.1 Lock 接口的基本方法

public interface Lock {
    void lock();                          // 获取锁
    void lockInterruptibly() throws InterruptedException; // 可中断获取锁
    boolean tryLock();                    // 尝试非阻塞获取锁
    boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException; // 超时获取锁
    void unlock();                        // 释放锁
    Condition newCondition();             // 获取等待通知组件
}

3.2 ReentrantLock 的使用示例

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class LockExample {
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private int count = 0;

    public void increment() {
        lock.lock();
        try {
            count++;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void decrement() {
        lock.lock();
        try {
            count--;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

3.3 ReentrantLock 的源码解析

3.3.1 AQS（AbstractQueuedSynchronizer）

ReentrantLock 的核心是基于 AQS（AbstractQueuedSynchronizer）实现的。AQS 是一个用于构建锁和同步器的框架，它使用一个整型的 state 变量来表示锁的状态，并维护一个 FIFO 队列来管理等待线程。

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
    private final Sync sync;

    abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        // ...
    }

    static final class NonfairSync extends Sync {
        // 非公平锁实现
    }

    static final class FairSync extends Sync {
        // 公平锁实现
    }
}

3.3.2 公平锁与非公平锁

ReentrantLock 支持公平锁和非公平锁两种模式：

• 公平锁：按照线程请求锁的顺序获取锁
• 非公平锁：线程可以抢占式获取锁，不考虑请求顺序

// 创建公平锁
Lock fairLock = new ReentrantLock(true);

// 创建非公平锁（默认）
Lock nonfairLock = new ReentrantLock();

3.3.3 锁的获取与释放

以非公平锁为例，lock () 方法的实现：

final void lock() {
    if (compareAndSetState(0, 1))
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
        acquire(1);
}

public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) &&
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    return nonfairTryAcquire(acquires);
}

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();
    if (c == 0) {
        if (compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0) // overflow
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

3.3.4 可重入性实现

ReentrantLock 的可重入性通过 state 变量实现：当同一个线程再次获取锁时，state 值递增；释放锁时，state 值递减。当 state 值为 0 时，表示锁已完全释放。

protected final boolean tryRelease(int releases) {
    int c = getState() - releases;
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    boolean free = false;
    if (c == 0) {
        free = true;
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
    setState(c);
    return free;
}

四、synchronized 与 Lock 的对比

特性	synchronized	Lock
语法	内置语言关键字	接口，需要显式调用 lock () 和 unlock ()
锁的获取	自动获取和释放	手动获取和释放，必须在 finally 中释放
可中断性	不可中断	可中断（lockInterruptibly ()）
公平性	非公平	可选择公平或非公平
锁的状态	无法判断	可以判断（isLocked ()）
条件变量	单一条件变量	可以创建多个条件变量
性能	JDK 1.6 后优化，轻量级锁性能接近 Lock	高并发场景下性能更优

五、线程安全实践：银行账户示例

5.1 使用 synchronized 实现

public class BankAccount {
    private double balance;

    public BankAccount(double balance) {
        this.balance = balance;
    }

    // 同步方法实现线程安全
    public synchronized void deposit(double amount) {
        balance += amount;
    }

    // 同步方法实现线程安全
    public synchronized void withdraw(double amount) {
        if (balance >= amount) {
            balance -= amount;
        } else {
            throw new IllegalArgumentException("余额不足");
        }
    }

    public synchronized double getBalance() {
        return balance;
    }
}

5.2 使用 ReentrantLock 实现

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class BankAccount {
    private double balance;
    private final Lock lock = new ReentrantLock();

    public BankAccount(double balance) {
        this.balance = balance;
    }

    public void deposit(double amount) {
        lock.lock();
        try {
            balance += amount;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void withdraw(double amount) {
        lock.lock();
        try {
            if (balance >= amount) {
                balance -= amount;
            } else {
                throw new IllegalArgumentException("余额不足");
            }
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public double getBalance() {
        lock.lock();
        try {
            return balance;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

六、总结

6.1 synchronized 的适用场景

• 简单的同步需求
• 不需要锁的高级特性（可中断、公平性等）
• 代码简洁性要求高

6.2 Lock 的适用场景

• 需要可中断锁
• 需要公平锁
• 需要多个条件变量
• 在高并发场景下追求更好的性能

6.3 最佳实践

1. 优先使用 synchronized，因为它更简洁，且 JDK 1.6 后性能已经得到优化
2. 在需要高级特性时使用 Lock
3. 使用 Lock 时，必须在 finally 块中释放锁
4. 避免锁的嵌套，防止死锁
5. 对性能敏感的场景，考虑使用细粒度的锁

通过synchronized和Lock，Java 提供了强大而灵活的线程同步机制，开发者可以根据具体场景选择合适的同步方式，确保多线程程序的安全性和性能。