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使用synchronized关键字同步Java线程

news 来源：原创 2025/7/13 18:03:56

问题

在Java多线程编程中，你需要保护某些数据，防止多个线程同时访问导致数据不一致或程序错误。

解决方案

在需要保护的方法或代码段上使用synchronized关键字。

讨论

synchronized关键字是Java提供的同步机制，用于确保在同一时刻只有一个线程能够执行指定的方法或代码块。这种机制特别适用于保护共享资源，防止多线程并发访问引发的问题。以下是synchronized的主要功能：

对于实例方法，synchronized限制同一对象实例中只有一个线程可以执行该方法或其他同步方法。
对于静态方法，synchronized限制同一类中只有一个线程可以执行该方法。
对于代码块，可以通过synchronized(object)指定锁定某个对象，只保护特定的代码段。

同步整个方法实现起来更简单且更安全，但可能会因阻塞其他线程而影响性能。如果只需要保护部分代码，可以使用同步代码块以提高效率。

示例：同步方法

以下是一个简单的线程安全列表添加操作示例：

public class SafeList {private Object[] data;private int max = 0;public SafeList(int size) {data = new Object[size];}public synchronized void add(Object obj) {data[max] = obj;max = max + 1;}
}

在这个例子中，add()方法被synchronized修饰，确保同一时刻只有一个线程可以修改data数组，避免数据覆盖或丢失。

未同步的风险

假设我们去掉synchronized，如下：

public void add(Object obj) {data[max] = obj;  // 第一步：存储对象max = max + 1;    // 第二步：递增索引
}

如果线程A在执行第一步后被中断，线程B紧接着运行并执行两步，会覆盖线程A存储的对象。线程A恢复后继续执行第二步，导致max指向一个未初始化的位置。这种情况可能导致数据丢失和数组状态不一致，如下图所示：

正常情况：
data[max] = obj; max = 1;失败情况：
线程A: data[0] = obj1;
线程B: data[0] = obj2; max = 1;
线程A: max = 2; // obj1丢失，data[1]未初始化

即使将两行合并为data[max++] = obj;，问题依然存在，因为线程可能在JVM指令之间被中断。只有使用synchronized才能彻底解决问题。

示例：同步代码块

如果只想同步部分代码，可以使用synchronized代码块。例如：

public class SafeList {private Object[] data;private int max = 0;public SafeList(int size) {data = new Object[size];}public void add(Object obj) {synchronized (data) {data[max] = obj;max = max + 1;}}
}

这里，synchronized (data)确保对data数组的访问是线程安全的，同时未同步的代码（如构造函数）不会阻塞其他线程。

选择同步对象

同步代码块需要指定一个对象作为锁。通常选择与共享资源相关的对象，例如：

synchronized(this)：锁定当前对象实例。
synchronized(data)：锁定共享数组。
自定义锁对象：如private final Object lock = new Object();。

例如，同步对ArrayList的访问：

public class ListManager {private ArrayList<String> myList = new ArrayList<>();public void process(String item) {synchronized (myList) {if (myList.indexOf(item) != -1) {System.out.println("Item found!");} else {myList.add(item);}}}
}

示例：多线程数组操作

以下代码展示了同步与非同步操作的对比：

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;public class ArrayAdding {private static final int HOWMANY = 1000;private static int[] array;private static ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(2);static Runnable runBad = () -> {for (int i = 0; i < array.length; i++) {array[i] = array[i] + i;}};static Runnable runGood = () -> {synchronized (array) {for (int i = 0; i < array.length; i++) {array[i] = array[i] + i;}}};public static void main(String[] args) throws Exception {process("runGood", runGood);process("runBad", runBad);}static void process(String name, Runnable run) throws Exception {System.out.println("Starting: " + name);array = new int[HOWMANY];var t1 = pool.submit(run);var t2 = pool.submit(run);t1.get();t2.get();for (int i = 0; i < array.length; i++) {if (array[i] != 2 * i) {System.out.printf("%d found at offset %d\n", array[i], i);return;}}System.out.println(name + " completed successfully");}
}

运行结果可能如下：

Starting: runGood
runGood completed successfully
Starting: runBad
468 found at offset 468

runGood使用同步，始终正确；runBad未同步，可能因竞态条件失败。这种失败在现实中可能导致严重后果，如Therac-25事件中的辐射治疗事故。

结论

synchronized关键字是Java中保护数据免受多线程并发访问的有效工具。通过同步方法或代码块，可以防止数据不一致和竞态条件。选择同步整个方法还是代码块取决于性能和安全性的权衡。合理的同步设计能显著提升程序的可靠性。

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