在Java中，多線程并發訪問共享資源是一個經常遇到的問題。為了保證數據的正確性和一致性，在多線程編程中需要使用同步機制來實現對臨界資源的互斥訪問。Java中的synchronized關鍵字提供了一種簡單而有效的同步機制，可以用于保護臨界區。

臨界區的概念

在多線程的程序中，臨界區指的是一段需要互斥訪問的代碼塊，即同一時間只能由一個線程執行的代碼。在這段代碼執行期間，如果其他線程試圖訪問該代碼塊，那么它們會被阻塞，直到當前線程釋放了鎖。

相對應地，非臨界區指的是所有不需要互斥訪問的代碼，也就是說，多個線程可以同時執行該代碼，而不會有數據競爭或并發問題。

在Java中，synchronized關鍵字用于保證對臨界區代碼的互斥訪問，使得在任何時刻只有一個線程可以執行該代碼。但是，synchronized不能保證對非臨界區代碼的可見性和有序性，因此，在修改共享變量的值、檢查共享變量的狀態等操作時，需要注意使用volatile關鍵字或其他同步機制來確保線程之間的正確協作。

1、監視器鎖和Java對象

在Java中，每個對象都有一個關聯的監視器鎖，也稱為內部鎖或隱式鎖。每個鎖都有一個相關的等待集(Wait Set)和喚醒集(Notification Set)。當一個線程試圖獲取該對象的鎖時，如果該鎖已經被其他線程持有，則該線程將被阻塞，直到該鎖被釋放。當一個線程持有該鎖時，其他線程試圖獲取該鎖時會進入鎖的等待集，并在該鎖被釋放并通知時嘗試重新獲取鎖。

2、synchronized關鍵字的使用

synchronized關鍵字可以用于控制對臨界資源的訪問。它可以用于方法上或代碼塊上，并將其作為一個鎖來進行同步。當一個線程執行synchronized方法或代碼塊時，它將獲取與該方法或代碼塊關聯的對象的鎖。如果其他線程試圖獲取相同對象上的鎖，則它們將被阻塞，直到該鎖被釋放。

下面是一個簡單的示例，展示了如何使用synchronized來實現對臨界資源的同步訪問：

public class Counter {
    private int count = 0;

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

    public synchronized void decrement() {
        count--;
    }

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

在這個例子中，increment、decrement和getCount方法都被聲明為synchronized，并且它們都操作Counter對象的共享狀態。當一個線程調用其中一個方法時，它將獲取Counter對象的鎖，并允許該線程訪問其中的代碼。其他線程將被阻塞，直到鎖被釋放。

需要注意的是，在Java中，每個對象只有一個鎖。因此，如果一個類中有多個同步方法或代碼塊，它們都將競爭同一個鎖。這意味著，如果多個線程同時調用這些方法或代碼塊，它們只能以串行方式執行，從而降低了并發效率。因此，我們應該盡可能地減少同步代碼塊的大小和范圍，以便使其他線程能夠更快地訪問臨界資源。

3、監視器鎖原理

在JVM層面，每個對象都有一個關聯的監視器鎖。當一個線程試圖獲取該對象的鎖時，如果該鎖已經被其他線程持有，則該線程將進入阻塞狀態。

在字節碼層面，synchronized關鍵字通過monitorenter和monitorexit指令來實現對臨界資源的同步訪問。這兩個指令可以分別看作是獲取鎖和釋放鎖的操作。當一個線程執行到monitorenter指令時，它將嘗試獲取對象的鎖。如果該鎖已經被其他線程持有，則該線程將進入阻塞狀態。當線程執行到monitorexit指令時，它將釋放對象的鎖，并喚醒等待集中的線程來競爭鎖。

在上面的代碼示例中，increment、decrement和getCount方法的實現都包含一個同步塊，其中使用了synchronized(this)來獲取Counter對象的鎖。當線程執行到這個同步塊時，它會執行monitorenter指令來獲取鎖，并在退出同步塊時執行monitorexit指令來釋放鎖。需要注意的是，如果多個線程同時調用這些方法，并且它們持有不同的Counter對象，那么它們將競爭不同的鎖，并且能夠并發地執行。因此，在編寫多線程程序時，應該盡量使用局部變量來限制鎖的范圍，以避免多個線程競爭同一個鎖而導致性能下降。

4、synchronized關鍵字的進階使用技巧

除了基本的同步機制外，synchronized關鍵字還提供了一些進階的使用技巧，可以更加靈活地控制對臨界資源的訪問。下面介紹幾種常見的技巧：

（1）synchronized塊

除了將synchronized關鍵字用于方法聲明外，它還可以用于代碼塊。在這種情況下，同步塊的范圍可以更加靈活，從而使得多個線程可以并發地執行非臨界代碼。下面是一個示例代碼：

public class Counter {
    private int count = 0;
    private Object lock = new Object();

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

    public void decrement() {
        synchronized (lock) {
            count--;
        }
    }

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

在這個例子中，我們使用了一個Object對象作為鎖，并在每個方法內部使用synchronized(lock)來實現同步訪問。由于鎖的范圍被限制在同步塊內部，因此多個線程可以并發地執行非臨界代碼。

需要注意的是，在使用synchronized塊時，我們應該盡量使用局部變量或私有實例變量作為鎖對象，以避免和其他類共享鎖對象而導致死鎖等問題。

（2）synchronized靜態方法

除了將synchronized關鍵字用于實例方法外，它還可以用于靜態方法。在這種情況下，鎖對象是該類的Class對象。下面是一個示例代碼：

public class Counter {
    private static int count = 0;

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

    public static synchronized void decrement() {
        count--;
    }

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

在這個例子中，我們將synchronized關鍵字用于靜態方法，并使用類的Class對象作為鎖。由于鎖對象是唯一的，因此多個線程將串行地執行方法。

需要注意的是，在使用synchronized靜態方法時，我們應該盡可能地避免阻塞和競爭，以提高程序的并發性能。

（3）可重入性

Java的synchronized關鍵字實現了可重入性，也就是說，如果一個線程已經持有了某個對象的鎖，那么它可以再次獲取該對象的鎖，從而繼續訪問臨界資源。這種機制可以有效地避免死鎖和餓死等問題。

在上面代碼示例中，increment方法調用了decrement方法，并且兩個方法都使用了synchronized關鍵字來同步訪問。由于這兩個方法都被聲明為synchronized，因此它們都需要獲取Counter對象的鎖來執行。如果一個線程已經持有了該鎖，那么它可以繼續獲取該鎖而不會被阻塞，從而避免了死鎖問題。

需要注意的是，在使用可重入性時，我們應該盡可能地避免嵌套鎖和遞歸鎖，以避免死鎖和性能問題。

（4）volatile關鍵字

雖然synchronized關鍵字可以保證對臨界資源的同步訪問，但它并不能保證對非臨界資源的可見性。換句話說，如果一個線程修改了一個變量的值，但該變量沒有被聲明為volatile或使用同步機制進行同步訪問，那么其他線程可能無法看到該變量的新值。

下面是一個示例代碼：

public class Counter {
    private int count = 0;
    private boolean flag = false;

    public void increment() {
        count++;
        flag = true;
    }

    public int getCount() {
        if (flag) {
            return count;
        } else {
            return -1;
        }
    }
}

在這個例子中，increment方法將count變量的值增加1，并設置flag變量的值為true。getCount方法檢查flag變量的值，如果為true，則返回count變量的值；否則返回-1。由于flag變量沒有被聲明為volatile或使用同步機制進行同步訪問，因此它的值可能無法被其他線程看到，從而導致getCount方法返回錯誤的結果。

為了解決這個問題，我們可以使用volatile關鍵字來保證對變量的可見性和有序性。下面是一個修改后的示例代碼：

public class Counter {
    private volatile int count = 0;
    private volatile boolean flag = false;

    public void increment() {
        count++;
        flag = true;
    }

    public int getCount() {
        if (flag) {
            return count;
        } else {
            return -1;
        }
    }
}

在這個例子中，我們將count和flag變量都聲明為volatile，以保證它們的可見性和有序性。這樣，當一個線程修改了count或flag變量的值時，其他線程可以立即看到該變化。

需要注意的是，在使用volatile關鍵字時，我們應該避免使用復合操作以及依賴于先前狀態的操作，以確保對變量的操作的原子性和一致性。

5、一些常見問題

在使用synchronized關鍵字時，我們應該避免以下常見的錯誤和陷阱：

（1）不要過度同步

在多線程編程中，過度同步可能會導致死鎖、饑餓等問題，并且降低程序的并發性能。因此，我們應該盡可能地減少同步代碼塊的大小和范圍，以便使其他線程能夠更快地訪問非臨界資源。

（2）避免死鎖

死鎖是多線程編程中常見的問題之一，它會導致多個線程相互等待彼此釋放鎖而無法繼續執行。避免死鎖的關鍵是正確地掌握鎖的粒度和順序，并盡可能地減少鎖的嵌套層數。

（3）善用Wait和Notify

Java提供了Wait和Notify機制來協調多個線程對共享資源的訪問。在使用這些機制時，我們應該注意正確地使用鎖對象，并避免出現死鎖、饑餓等問題。

（4）不要依賴于原子性

雖然synchronized關鍵字可以保證對臨界資源的同步訪問，但它并不能保證對非臨界資源的原子性操作。因此，在進行復合操作或依賴于先前狀態的操作時，我們應該使用原子類或其他同步工具來確保操作的原子性和一致性。

6、總結

本文介紹了Java中的synchronized關鍵字及其基本用法、實現原理和進階使用技巧。需要注意的是，在編寫多線程程序時，我們應該注意避免常見的錯誤和陷阱，以確保程序的正確性和效率。