Java synchronized关键字实现原理及Lock对比

当多个线程同时访问共享资源时，就需要使用同步机制来保证线程的安全性。Java中的synchronized关键字就是一种同步机制，它可以让某个代码块或方法在同一时刻只能被一个线程访问。

synchronized实现原理： 在Java中，每个对象都有一个内部锁（或称为监视器锁或互斥锁），当一个线程要访问被synchronized修饰的代码块或方法时，它必须先获得这个对象的内部锁。如果这个锁已经被其他线程持有，则该线程将被阻塞，直到其他线程释放了这个锁。

synchronized的实现原理主要涉及到以下三个部分：

1. monitorenter指令：当线程尝试获取对象的锁时，JVM会执行monitorenter指令，如果获取成功，则进入临界区，否则进入阻塞状态等待锁的释放。

1. monitorexit指令：当线程退出临界区时，JVM会执行monitorexit指令，释放对象的锁，以便其他线程能够获取锁并进入临界区。

1. 对象头中的Mark Word：在Java中，每个对象都有一个对象头，其中包含了对象的元数据信息，比如对象的哈希码和锁状态等。在synchronized实现中，对象头中的Mark Word用于记录锁状态，当一个线程获得了对象的锁时，JVM会将Mark Word中的锁状态设置为“已锁定”，当线程释放锁时，JVM会将锁状态设置为“未锁定”。

下面是synchronized的源码实现：

```

public synchronized void method() { // 代码块 }

```

编译后的字节码：

```

public void method();

Code:

0: aload_0

1: monitorenter

2: aload_0

3: invokevirtual #1 // Method java/lang/Object.hashCode:()I

6: aload_0

7: monitorexit

8: return

......

```

在方法前面加了synchronized关键字后，编译器会在方法的字节码中插入monitorenter和monitorexit指令，确保在执行方法时只能有一个线程获得锁。

2. 修饰代码块

```

public void method() {

synchronized (this) {

// 代码块

}

}

```

编译后的字节码：

```

public void method();

Code:

0: aload_0

1: dup

2: astore_1

3: monitorenter

4: aload_1

5: monitorexit

6: goto 14

9: astore_2

10: aload_1

11: monitorexit

12: aload_2

13: athrow

14: return

Exception table:

from to target type

4 6 9 any

9 12 9 any

```

在代码块前面加了synchronized关键字后，编译器会在代码块的字节码中插入monitorenter和monitorexit指令，保证在执行代码块时只能有一个线程获得锁。

需要注意的是，在使用synchronized时，应该尽量避免对整个方法或类进行加锁，而是应该尽可能地缩小同步范围，以提高程序的并发性能。

另外，从JDK1.5开始，Java提供了一种新的同步机制——Lock，它相对于synchronized来说更加灵活和高效，但也更加复杂。在实际开发中，应该根据具体情况选择合适的同步机制。

Lock机制相对于synchronized来说，具有以下优点：

1. 可重入性：与synchronized类似，Lock也具有可重入性，同一个线程可以多次获取同一把锁而不会发生死锁。

1. 精确控制锁的释放：Lock允许程序员手动释放锁，而synchronized只能在代码块执行完毕或抛出异常时自动释放锁。这个特性在某些场景下非常有用，比如死锁恢复。

1. 公平性：在synchronized中，无法保证多个线程获取锁的公平性，有可能会出现饥饿现象。而在Lock中，可以通过构造函数指定是否采用公平锁，来保证线程获取锁的公平性。

1. 支持多个条件变量：与synchronized只能支持一个条件变量相比，Lock可以支持多个条件变量，这在某些复杂的同步场景下非常有用。

下面是一个使用Lock实现同步的例子：

```

import java.util.concurrent.locks.Lock;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class SynchronizedExample {

private int count = 0;

private Lock lock = new ReentrantLock();

public void increment() {

lock.lock();

try {

count++;

} finally {

lock.unlock();

}

}

public int getCount() {

lock.lock();

try {

return count;

} finally {

lock.unlock();

}

}

}

```

在这个例子中，我们使用ReentrantLock实现了一个线程安全的计数器，使用lock()方法获取锁，在try块中执行操作，使用unlock()方法释放锁。在getCount()方法中也使用了lock()和unlock()方法来保证线程安全。在实际开发中，可以根据具体的需求选择合适的Lock实现类。

除了ReentrantLock之外，Java中还提供了其他几种Lock实现类，下面介绍一下常用的几种：

1. ReentrantLock：重入锁，与synchronized类似，具有可重入性，支持公平和非公平锁，默认是非公平锁。

1. ReadWriteLock：读写锁，允许多个线程同时读共享数据，但只允许一个线程写共享数据，写锁是排他的。Java中提供了ReadWriteLock接口和ReentrantReadWriteLock实现类，后者支持重入和公平非公平锁。

1. StampedLock：乐观读锁，相对于ReadWriteLock，StampedLock具有更高的并发性能。StampedLock有三种模式：写模式、读模式和乐观读模式，其中写模式和读模式与ReadWriteLock类似，乐观读模式则不需要加锁，只需要使用乐观读方法tryOptimisticRead()获取版本号，然后读取数据，最后再根据版本号判断数据是否被修改过。

1. Condition：条件变量，与synchronized中的wait()、notify()和notifyAll()方法类似，Condition也提供了类似的await()、signal()和signalAll()方法，用于等待某个条件的满足和通知等待的线程。Condition需要与Lock一起使用。

在使用Lock机制时，需要注意以下几点：

1. 必须手动释放锁，否则可能会导致死锁。

1. 应该使用try-finally块来保证锁一定会被释放。

1. 应该根据具体情况选择合适的Lock实现类和锁的公平性。

1. 不要在锁的作用域内执行耗时操作，以避免降低程序的并发性能。

综上所述，synchronized和Lock都是Java中用于实现同步的机制，它们各有优缺点，在实际开发中应该根据具体情况选择合适的机制。同时，对于多线程编程，还需要注意线程安全、死锁、饥饿等问题。