12 | 多线程之锁优化（上）：深入了解Synchronized同步锁的优化方法

在Java并发编程中，Synchronized关键字作为最基本的同步机制之一，广泛应用于保护共享资源免受多线程并发访问时的数据不一致问题。然而，随着系统复杂度和并发量的增加，Synchronized锁的性能瓶颈也逐渐显现，成为影响Java应用性能的关键因素之一。本章将深入探讨Synchronized同步锁的内部机制，并介绍多种优化Synchronized锁使用的方法，以期提升多线程环境下的应用性能。

1. Synchronized同步锁的基本原理

在深入探讨优化方法之前，我们首先需要理解Synchronized锁的基本工作原理。Synchronized可以在方法级别或代码块级别使用，它通过对对象监视器（monitor）的获取与释放来控制多个线程对共享资源的访问。

• 方法级同步：通过在方法声明中添加synchronized关键字，实现对该方法执行期间的线程互斥。
• 代码块级同步：通过synchronized(object)语句块，指定某个对象作为锁对象，仅当持有该锁对象的线程才能执行同步块内的代码。

Synchronized锁的实现依赖于JVM底层的对象监视器机制。每个Java对象都有一个与之关联的监视器锁（monitor lock），当线程进入同步代码块或同步方法时，会尝试获取对象的监视器锁；如果锁已被其他线程持有，则当前线程将被阻塞，直到锁被释放。

2. Synchronized锁的性能问题

尽管Synchronized提供了简单直接的同步机制，但其性能问题不容忽视：

• 阻塞与唤醒开销：线程在获取锁失败时会进入阻塞状态，直到锁被释放后被唤醒，这一过程涉及线程状态的转换，开销较大。
• 锁竞争：在多线程环境下，若多个线程频繁竞争同一把锁，将导致线程频繁地切换状态，降低系统吞吐量。
• 锁粒度：粗粒度的锁会限制并发度，细粒度的锁则可能增加编程复杂度和维护成本。

3. Synchronized锁的优化策略

为了缓解Synchronized锁带来的性能问题，可以采取以下优化策略：

3.1 减少锁的竞争

3.1.1 使用更细粒度的锁

将一个大锁拆分为多个小锁，可以减少锁的竞争。例如，在处理一个复杂的对象时，可以将对象的不同部分使用不同的锁进行保护，从而允许不同线程同时访问对象的非冲突部分。

3.1.2 锁分段技术

对于如ConcurrentHashMap这样的并发集合，采用了锁分段技术来提高并发性能。通过将数据结构分割成多个段（segment），每个段使用独立的锁进行管理，从而减少了锁的竞争。

3.2 减少锁的持有时间

3.2.1 缩小同步块的范围

尽量减小同步代码块的范围，只在必要的情况下持有锁，以减少锁的持有时间。这样可以使得等待锁的线程能够更快地获取到锁，从而提高系统的吞吐量。

3.2.2 使用可重入锁（ReentrantLock）的tryLock

ReentrantLock提供了tryLock()方法，该方法尝试获取锁，如果锁已被其他线程持有，则立即返回false，而不是将当前线程阻塞。这可以用于实现非阻塞的锁尝试，避免在锁竞争激烈时造成线程长时间阻塞。

3.3 使用更高效的锁实现

3.3.1 偏向锁（Biased Locking）

从JDK 1.6开始，Synchronized锁引入了偏向锁优化。偏向锁会偏向于第一个获得锁的线程，如果在接下来的执行过程中，该锁没有被其他线程获取，则持有偏向锁的线程将永远不需要再进行同步。这大幅减少了锁获取的开销。

3.3.2 轻量级锁（Lightweight Locking）

当锁处于偏向锁状态，但被第二个线程访问时，偏向锁会升级为轻量级锁。轻量级锁通过自旋锁（spinlock）的方式尝试获取锁，如果自旋成功（即锁被释放），则当前线程获取锁；如果自旋失败（即锁仍然被其他线程持有），则轻量级锁会膨胀为重量级锁。轻量级锁减少了线程阻塞和唤醒的开销，适用于锁竞争不激烈的情况。

3.3.3 自适应自旋锁

JDK 1.6引入了自适应自旋锁的概念，即根据之前锁的状态以及在同一线程上自旋获取锁的成功率等因素，动态调整自旋的次数。如果锁很可能在短时间内被释放，则增加自旋次数；反之，则减少自旋次数，甚至直接阻塞线程。

3.4 锁分离与读写锁

3.4.1 锁分离

将读写操作分离，使用不同的锁来控制读操作和写操作。读操作通常不会修改数据，因此可以允许多个线程同时读取；而写操作则需要独占访问权。通过锁分离，可以显著提高并发性能。

3.4.2 读写锁（ReadWriteLock）

Java并发包（java.util.concurrent.locks）中的ReadWriteLock接口及其实现类ReentrantReadWriteLock提供了读写锁的功能。读写锁允许一个或多个读线程同时访问共享资源，但写线程在访问共享资源时必须独占访问权。这种机制非常适合读多写少的场景。

4. 实战案例分析

假设有一个缓存系统，需要频繁地进行读写操作。为了优化性能，可以采用读写锁来分离读写操作。读操作使用读锁，允许多个线程并发读取缓存；写操作使用写锁，保证写操作的原子性和可见性。同时，可以通过监控系统的锁竞争情况，动态调整锁的策略，如在锁竞争激烈时考虑使用更细粒度的锁或调整锁的持有时间。

5. 总结

Synchronized作为Java并发编程中的基础同步机制，虽然简单易用，但在高并发场景下可能面临性能瓶颈。通过减少锁的竞争、减少锁的持有时间、使用更高效的锁实现以及锁分离与读写锁等技术手段，可以有效地优化Synchronized锁的性能，提升应用的整体性能。在实际开发中，应根据具体的业务场景和需求，灵活运用这些优化策略，以达到最佳的性能效果。