JAVA高并发下synchronized锁对象错误设计导致锁失效问题

好的，我们开始。

大家好，今天我们来聊聊Java高并发环境下 synchronized 锁对象设计不当导致锁失效的问题。synchronized 是Java中实现线程同步的重要手段，但如果锁对象选择不当，在高并发场景下可能会出现锁失效，导致线程安全问题。我们将深入探讨这个问题，并通过代码示例来演示各种场景以及解决方案。

1. synchronized 的基本原理

在深入探讨锁失效问题之前，我们先简单回顾一下 synchronized 的基本原理。synchronized 关键字可以修饰方法或代码块，用于保证同一时刻只有一个线程可以执行被 synchronized 修饰的代码。

对象锁： 当 synchronized 修饰实例方法时，锁对象是该实例对象（this）。当 synchronized 修饰静态方法时，锁对象是该类的 Class 对象。
代码块锁： 当 synchronized 修饰代码块时，需要在括号中指定锁对象，可以是任意对象。

synchronized 的实现依赖于 JVM 的 Monitor 对象。每个对象都有一个与之关联的 Monitor 对象。当线程尝试获取 synchronized 锁时，实际上是在尝试获取 Monitor 对象的所有权。如果 Monitor 对象未被占用，则线程获取所有权并进入临界区。如果 Monitor 对象已被其他线程占用，则当前线程进入阻塞状态，直到持有 Monitor 对象的线程释放锁。

2. 锁失效的常见场景及原因分析

锁失效通常指的是，本应该被 synchronized 保护的代码区域，在并发环境下却出现了多个线程同时访问的情况，导致数据不一致或其他并发问题。以下是一些常见的场景：

2.1. 锁对象被修改或替换

这是最常见也是最容易犯的错误。如果锁对象在多个线程之间共享，并且其中一个线程修改了锁对象，那么其他线程持有的锁引用就会失效，导致多个线程可以同时进入临界区。

代码示例：

public class IncorrectLock {

    private String lock = "initial lock";

    public void wrongLock(String threadName) {
        synchronized (lock) {
            System.out.println(threadName + " entered synchronized block. Lock value: " + lock);
            try {
                Thread.sleep(100); // 模拟耗时操作
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            // 错误地修改了锁对象
            lock = "new lock";
            System.out.println(threadName + " exited synchronized block. Lock value: " + lock);
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        IncorrectLock example = new IncorrectLock();

        Thread t1 = new Thread(() -> example.wrongLock("Thread-1"));
        Thread t2 = new Thread(() -> example.wrongLock("Thread-2"));

        t1.start();
        Thread.sleep(10); // 保证 t1 先进入临界区
        t2.start();

        t1.join();
        t2.join();

        System.out.println("Main thread finished.");
    }
}

运行结果（可能）：

Thread-1 entered synchronized block. Lock value: initial lock
Thread-1 exited synchronized block. Lock value: new lock
Thread-2 entered synchronized block. Lock value: new lock
Thread-2 exited synchronized block. Lock value: new lock
Main thread finished.

原因分析：

在 wrongLock 方法中，lock 变量被用作锁对象。当 Thread-1 进入 synchronized 块并执行到 lock = "new lock" 时，lock 变量的引用被修改了。这意味着 Thread-2 获取锁时，实际上是在获取一个不同的锁对象（"new lock"），而不是 Thread-1 正在持有的 "initial lock" 对象。因此，Thread-1 和 Thread-2 可以同时进入临界区，导致锁失效。

解决方法：

使用 final 关键字修饰锁对象： 确保锁对象的引用不可变。

private final String lock = "initial lock"; //错误示例，String是不可变的，但是变量lock的指向可以被改变

使用 Object 对象作为锁： 使用 new Object() 创建一个专门用于锁的对象，而不是使用字符串常量。
```
private final Object lock = new Object();
```
使用 private 修饰锁对象： 避免其他类修改锁对象。

修改后的代码示例：

public class CorrectLock {

    private final Object lock = new Object();

    public void correctLock(String threadName) {
        synchronized (lock) {
            System.out.println(threadName + " entered synchronized block.");
            try {
                Thread.sleep(100); // 模拟耗时操作
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(threadName + " exited synchronized block.");
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CorrectLock example = new CorrectLock();

        Thread t1 = new Thread(() -> example.correctLock("Thread-1"));
        Thread t2 = new Thread(() -> example.correctLock("Thread-2"));

        t1.start();
        Thread.sleep(10); // 保证 t1 先进入临界区
        t2.start();

        t1.join();
        t2.join();

        System.out.println("Main thread finished.");
    }
}

运行结果（正确）：

Thread-1 entered synchronized block.
Thread-1 exited synchronized block.
Thread-2 entered synchronized block.
Thread-2 exited synchronized block.
Main thread finished.

2.2. 锁对象的生命周期问题

如果锁对象的生命周期与被保护的代码的生命周期不一致，也可能导致锁失效。例如，锁对象在临界区内被重新创建，或者锁对象在临界区外被销毁。

代码示例：

public class LockLifecycle {

    public void incorrectLockLifecycle(String threadName) {
        // 每次都创建一个新的锁对象
        Object lock = new Object();
        synchronized (lock) {
            System.out.println(threadName + " entered synchronized block.");
            try {
                Thread.sleep(100); // 模拟耗时操作
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(threadName + " exited synchronized block.");
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        LockLifecycle example = new LockLifecycle();

        Thread t1 = new Thread(() -> example.incorrectLockLifecycle("Thread-1"));
        Thread t2 = new Thread(() -> example.incorrectLockLifecycle("Thread-2"));

        t1.start();
        Thread.sleep(10); // 保证 t1 先进入临界区
        t2.start();

        t1.join();
        t2.join();

        System.out.println("Main thread finished.");
    }
}

运行结果（可能）：

Thread-1 entered synchronized block.
Thread-2 entered synchronized block.
Thread-1 exited synchronized block.
Thread-2 exited synchronized block.
Main thread finished.

原因分析：

每次调用 incorrectLockLifecycle 方法时，都会创建一个新的 Object 对象作为锁。因此，每个线程都获取的是不同的锁，导致 synchronized 块实际上没有起到同步作用。

解决方法：

确保锁对象在多个线程之间共享，并且其生命周期覆盖整个临界区的生命周期。将锁对象作为实例变量或静态变量持有。

修改后的代码示例：

public class CorrectLockLifecycle {

    private final Object lock = new Object();

    public void correctLockLifecycle(String threadName) {
        synchronized (lock) {
            System.out.println(threadName + " entered synchronized block.");
            try {
                Thread.sleep(100); // 模拟耗时操作
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(threadName + " exited synchronized block.");
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CorrectLockLifecycle example = new CorrectLockLifecycle();

        Thread t1 = new Thread(() -> example.correctLockLifecycle("Thread-1"));
        Thread t2 = new Thread(() -> example.correctLockLifecycle("Thread-2"));

        t1.start();
        Thread.sleep(10); // 保证 t1 先进入临界区
        t2.start();

        t1.join();
        t2.join();

        System.out.println("Main thread finished.");
    }
}

2.3. 锁的粒度过细

如果锁的粒度过细，即锁保护的代码范围太小，也可能导致并发问题。虽然使用了 synchronized，但由于锁的范围不足以覆盖所有需要同步的代码，因此仍然可能出现竞态条件。

代码示例：

public class FineGrainedLock {

    private int counter = 0;

    public void increment() {
        synchronized (this) {
            // 只对 counter++ 操作加锁
            counter++;
        }
        // 其他操作没有加锁
        System.out.println("Counter value: " + counter);
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        FineGrainedLock example = new FineGrainedLock();

        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                example.increment();
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                example.increment();
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();

        t1.join();
        t2.join();

        System.out.println("Final counter value: " + example.counter);
    }
}

运行结果（可能）：

Counter value: 1
Counter value: 2
...
Counter value: 1998
Counter value: 1999
Final counter value: 2000

尽管 counter++ 操作使用了 synchronized 进行了同步，但是 System.out.println("Counter value: " + counter) 操作没有被保护。这意味着多个线程可能在 counter 的值更新后，但在打印之前，被其他线程修改，导致打印的值不准确。虽然最终结果是正确的，但是中间的打印信息可能交错。

原因分析：

synchronized 块只保护了 counter++ 操作，而没有保护 System.out.println 操作。因此，多个线程可能交错执行，导致打印的值不准确。如果多个线程在 counter++ 之后，但在 System.out.println 之前，counter 的值被其他线程修改，就会导致打印的值不一致。

解决方法：

扩大锁的范围，确保所有需要同步的代码都在 synchronized 块内。

修改后的代码示例：

public class CoarseGrainedLock {

    private int counter = 0;

    public synchronized void increment() {
        // 对 counter++ 和打印操作都加锁
        counter++;
        System.out.println("Counter value: " + counter);
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CoarseGrainedLock example = new CoarseGrainedLock();

        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                example.increment();
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                example.increment();
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();

        t1.join();
        t2.join();

        System.out.println("Final counter value: " + example.counter);
    }
}

2.4. 使用不同的锁对象保护不同的资源

在高并发环境下，如果使用不同的锁对象来保护不同的资源，可能会导致线程安全问题。虽然每个资源都有自己的锁，但由于锁之间没有关联，因此无法保证多个资源之间的一致性。

代码示例：

public class DifferentLocks {

    private int counter1 = 0;
    private int counter2 = 0;
    private final Object lock1 = new Object();
    private final Object lock2 = new Object();

    public void incrementCounters() {
        synchronized (lock1) {
            counter1++;
        }
        synchronized (lock2) {
            counter2++;
        }
        System.out.println("Counter1: " + counter1 + ", Counter2: " + counter2);
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        DifferentLocks example = new DifferentLocks();

        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                example.incrementCounters();
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                example.incrementCounters();
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();

        t1.join();
        t2.join();

        System.out.println("Final Counter1: " + example.counter1 + ", Final Counter2: " + example.counter2);
    }
}

在这个例子中， counter1 和 counter2 分别使用 lock1 和 lock2 进行保护。虽然各自的自增操作是线程安全的，但是无法保证 counter1 和 counter2 之间的一致性。如果需要保证它们之间的一致性，例如 counter1 必须始终等于 counter2，那么就需要使用同一个锁来保护它们。

解决方法：

使用同一个锁对象保护所有需要同步的资源，确保多个资源之间的一致性。

修改后的代码示例：

public class SameLock {

    private int counter1 = 0;
    private int counter2 = 0;
    private final Object lock = new Object();

    public void incrementCounters() {
        synchronized (lock) {
            counter1++;
            counter2++;
        }
        System.out.println("Counter1: " + counter1 + ", Counter2: " + counter2);
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SameLock example = new SameLock();

        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                example.incrementCounters();
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                example.incrementCounters();
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();

        t1.join();
        t2.join();

        System.out.println("Final Counter1: " + example.counter1 + ", Final Counter2: " + example.counter2);
    }
}

3. 总结

问题	原因	解决方案
锁对象被修改或替换	锁对象在多个线程之间共享，并且其中一个线程修改了锁对象，导致其他线程持有的锁引用失效。	使用 `final` 关键字修饰锁对象，使用 `Object` 对象作为锁，使用 `private` 修饰锁对象。
锁对象的生命周期问题	锁对象的生命周期与被保护的代码的生命周期不一致，例如，锁对象在临界区内被重新创建，或者锁对象在临界区外被销毁。	确保锁对象在多个线程之间共享，并且其生命周期覆盖整个临界区的生命周期。
锁的粒度过细	锁的粒度过细，即锁保护的代码范围太小，导致并发问题。	扩大锁的范围，确保所有需要同步的代码都在 `synchronized` 块内。
使用不同的锁对象保护不同的资源	使用不同的锁对象来保护不同的资源，导致线程安全问题，无法保证多个资源之间的一致性。	使用同一个锁对象保护所有需要同步的资源，确保多个资源之间的一致性。

在高并发环境下使用 synchronized 进行线程同步时，务必注意锁对象的设计。避免修改锁对象，确保锁对象的生命周期正确，合理控制锁的粒度，并使用相同的锁对象来保护相关的资源。只有这样才能保证线程安全，避免锁失效的问题。

代码之外的思考

理解锁的原理和使用场景，才能写出健壮的并发代码。 synchronized 只是Java并发编程中的一个工具，掌握其他并发工具类如 ReentrantLock、Semaphore 等，能更好地应对复杂的并发场景。

设计上的建议

在设计并发程序时，应尽量减少共享状态，使用不可变对象，以减少锁的竞争。合理地使用并发容器，能简化并发代码的编写。

最后的忠告

并发编程是一个复杂的话题，需要不断学习和实践。通过阅读源码，分析并发案例，能加深对并发原理的理解，提高并发编程能力。

JAVA高并发下synchronized锁对象错误设计导致锁失效问题

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