引言
Synchronized 是 Java 中常用的同步机制，用于确保多个线程在访问共享资源时的互斥性。然而，许多 Java 程序员都不了解 Synchronized 的优化技巧和原理，从而导致程序性能和并发性能的下降。在本篇技术博客中，我们将详细探讨 Synchronized 的锁优化和获取锁的流程，并提供相关的 Java 代码示例。
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章节一：Synchronized 的锁优化
Synchronized 的锁优化主要包括以下几个方面：
1. 细粒度锁
在实际应用中，对于一些共享资源，我们可以采用细粒度锁来提高并发性能。比如，在一个对象中，有多个方法需要访问同一个共享资源，但这些方法并不是同时执行的，我们可以将这些方法中需要访问共享资源的代码块加上 Synchronized 关键字，以达到保证共享资源的互斥性的目的。这样做的好处是，可以减小锁的粒度，提高并发性能。
示例代码：
public class Counter {
private int count;
public synchronized void increment() {
count++;
}
public synchronized void decrement() {
count--;
}
} 上述代码中，使用 Synchronized 关键字修饰了 increment 和 decrement 方法，以确保对 count 的操作是原子性的。这样做的缺点是，如果在高并发的情况下，所有的线程都需要获取 Counter 对象的锁，会导致性能下降。因此，我们可以采用下面介绍的锁优化技巧来提高并发性能。
2. 锁粗化
锁粗化是指将多个连续的加锁、解锁操作合并成一个较大的代码块，以减少加锁、解锁的次数，从而提高并发性能。在实际应用中，如果发现某个对象的多个方法都需要加锁、解锁，可以将它们合并成一个大的代码块，这样做的好处是减少了加锁、解锁的次数，从而减少了线程间的竞争，提高了并发性能。
示例代码：
public class Counter {
private int count;
public void increment() {
synchronized (this) {
count++;
}
}
public void decrement() {
synchronized (this) {
count--;
}
}
} 上述代码中，将 increment 和 decrement 方法中的 Synchronized 关键字去掉，并在方法中加上一个同步代码块，以确保对 count 的操作是原子性的。这样做的好处是，避免了在高并发情况下，所有的线程都需要获取 Counter 对象的锁，从而提高了并发。
3. 锁分离
锁分离是指将一个对象中的多个共享资源，分别使用不同的锁来保护，以减小锁的粒度，提高并发性能。在实际应用中，如果一个对象中有多个共享资源，我们可以使用不同的锁来保护它们，这样做的好处是，可以减小锁的粒度，提高并发性能。
示例代码：
public class Counter {
private int count1;
private int count2;
private Object lock1 = new Object();
private Object lock2 = new Object();
public void incrementCount1() {
synchronized (lock1) {
count1++;
}
}
public void decrementCount1() {
synchronized (lock1) {
count1--;
}
}
public void incrementCount2() {
synchronized (lock2) {
count2++;
}
}
public void decrementCount2() {
synchronized (lock2) {
count2--;
}
}
} 上述代码中，将 Counter 对象中的 count1 和 count2 分别使用 lock1 和 lock2 两个对象来保护，以确保对它们的操作是原子性的。这样做的好处是，避免了在高并发情况下，所有的线程都需要获取 Counter 对象的锁，从而提高了并发性能。
4. 自旋锁
自旋锁是指在获取锁失败时，线程不会被阻塞，而是会不断地尝试获取锁，直到获取成功为止。在低并发的情况下，自旋锁可以减少线程上下文切换的开销，提高并发性能。但是，在高并发的情况下，自旋锁会占用大量的 CPU 资源，从而导致性能下降。
示例代码：
public class Counter {
private int count;
private volatile boolean lock = false;
public void increment() {
while (lock) {
// 自旋等待锁释放
}
lock = true;
count++;
lock = false;
}
public void decrement() {
while (lock) {
// 自旋等待锁释放
}
lock = true;
count--;
lock = false;
}
} 章节二：获取锁的流程分析
在使用 Synchronized 时，线程获取锁的流程分为以下几个步骤：
1. 尝试获取锁
当一个线程执行到 Synchronized 代码块或方法时，它会尝试获取锁。
2. 获取锁成功
轻量级锁的释放也是通过 CAS 操作来进行的，主要步骤如下：
- 取出在获取轻量级锁保存在 Displaced Mark Word 中的数据；
- 用 CAS 操作将取出的数据替换当前对象的 Mark Word 中，如果成功，则说明释放锁成功；
- 如果 CAS 操作替换失败，说明有其他线程尝试获取该锁，则需要在释放锁的同时需要唤醒被挂起的线程。
3. 获取锁失败
如果当前锁已经被其他线程持有，则当前线程会进入阻塞状态，直到获取到锁为止。
4. 阻塞状态
当线程进入阻塞状态时，它会进入一个等待队列，等待其他线程释放锁并通知它。在 Java 中，等待队列是通过内部锁对象的 wait() 和 notify() 方法实现的。
5. 通知等待线程
当一个线程释放锁并通知等待队列中的其他线程时，它会通过内部锁对象的 notify() 或 notifyAll() 方法来通知等待队列中的线程。
6. 竞争锁
当多个线程同时竞争同一个锁时，它们会进入锁池。在锁池中，所有等待锁的线程会处于阻塞状态，直到其中一个线程获取到锁并进入同步代码块或方法中。
7. 释放锁
当线程执行完同步代码块或方法后，会释放锁，并通知等待队列中的其他线程。
章节三：Synchronized 锁优化
Synchronized 锁优化可以分为以下几个方面：
1. 减小锁粒度
减小锁粒度是指将一个大的同步代码块或方法，拆分成多个小的同步代码块或方法，以减小锁的粒度，提高并发性能。在实际应用中，如果一个对象中有多个共享资源，我们可以使用不同的锁来保护它们，这样做的好处是，可以减小锁的粒度，提高并发性能。
2. 选择合适的锁类型
在 Java 中，Synchronized 可以分为对象锁和类锁两种。如果多个线程需要竞争同一个对象的资源，我们可以使用对象锁；如果多个线程需要竞争同一个类的资源，我们可以使用类锁。在实际应用中，我们需要根据具体情况来选择合适的锁类型，以提高并发性能。
3. 使用可重入锁
可重入锁是指同一个线程可以重复获取同一个锁而不会死锁的锁。在 Java 中，Synchronized 就是一种可重入锁。如果一个线程已经获取了某个锁，那么它在获取该锁的过程中，可以重复获取多次，而不会出现死锁现象。
4. 避免过度同步
过度同步是指在同步代码块或方法中，不必要的代码也被同步了，从而导致性能下降。在实际应用中，我们应该避免过度同步，只同步必要的代码块或方法，以提高并发性能。
5. 减小同步代码块或方法的执行时间
同步代码块或方法的执行时间越短，线程在获取锁和释放锁的时间就会越短，从而提高并发性能。在实际应用中，我们可以通过将一些非同步的代码移到同步代码块或方法外，或者使用局部变量来减小同步代码块或方法的执行时间。
6. 使用 CAS 原子操作
CAS 原子操作是一种无锁并发机制，它能够提高并发性能，避免锁竞争。在 Java 中，AtomicInteger、AtomicLong、AtomicBoolean 等类就是使用 CAS 原子操作实现的。如果我们需要对一个共享变量进行增、减、比较等操作，并且不需要进行复杂的计算，那么使用 CAS 原子操作可以提高并发性能。
7. 使用分段锁
分段锁是指将一个共享资源分成多个段，对每个段分别加锁。在 Java 中，ConcurrentHashMap 就是使用分段锁来保护共享资源的。如果多个线程需要竞争同一个共享资源，并且这个共享资源可以分成多个独立的段，那么使用分段锁可以提高并发性能。
章节四：示例代码
下面是一个简单的示例代码，演示了 Synchronized 锁的使用流程和优化方式。
public class SynchronizedDemo {
private int count = 0;
public synchronized void add() {
count++;
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
SynchronizedDemo demo = new SynchronizedDemo();
// 创建多个线程，同时对 count 变量进行加 1 操作
for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < 10000; j++) {
demo.add();
}
}).start();
}
// 等待所有线程执行完毕
Thread.sleep(1000);
// 输出 count 变量的值
System.out.println(demo.count);
}
} 在上面的示例代码中，我们创建了多个线程，同时对 count 变量进行加 1 操作。由于 count 变量是共享资源，我们需要对 add() 方法进行同步，以避免多个线程同时对 count 变量进行操作。在 add() 方法中，我们使用了 synchronized 关键字来获取锁，确保在同一时刻只有一个线程可以执行该方法。在 main() 方法中，我们使用 Thread.sleep() 方法来等待所有线程执行完毕，并输出 count 变量的值。
在实际应用中，我们需要对 Synchronized 锁进行优化，以提高并发性能。我们可以根据具体情况，选择合适的锁方式和优化策略。下面是一个优化后的示例代码，演示了如何使用 ReentrantLock 来代替 synchronized 关键字。
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class ReentrantLockDemo {
private int count = 0;
private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public void add() {
lock.lock();
try {
count++;
} finally {
lock.unlock();
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ReentrantLockDemo demo = new ReentrantLockDemo();
// 创建多个线程，同时对 count 变量进行加 1 操作
for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < 10000; j++) {
demo.add();
}
}).start();
}
// 等待所有线程执行完毕
Thread.sleep(1000);
// 输出 count 变量的值
System.out.println(demo.count);
}
} 在上面的示例代码中，我们使用了 ReentrantLock 来代替 synchronized 关键字。在 add() 方法中，我们首先调用 lock() 方法获取锁，在 try-catch-finally 代码块中执行业务逻辑，最后调用 unlock() 方法释放锁。由于 ReentrantLock 是可重入锁，因此同一个线程可以多次获取锁，而不会造成死锁的情况。
总结
在实际应用中，我们需要根据具体情况，选择合适的同步方式和优化策略，以提高并发性能。我们需要根据业务逻辑的复杂程度、共享资源的访问频率和并发度、线程之间的竞争关系等因素，综合考虑选择合适的同步方式和优化策略。