synchronized是Java中用于解決并發(fā)問題的核心關(guān)鍵字，它通過確保多個(gè)線程對共享資源的互斥訪問，來避免線程安全問題（如競態(tài)條件、數(shù)據(jù)不一致等）。

synchronized的核心特性

• 原子性（Atomicity）：確保一個(gè)或多個(gè)操作要么全部執(zhí)行成功，要么全部執(zhí)行失敗。在synchronized代碼塊中的代碼是不可中斷的，同一時(shí)刻只有一個(gè)線程能執(zhí)行。
• 可見性（Visibility）：保證一個(gè)線程對共享變量的修改，對于其他后續(xù)進(jìn)入同步代碼塊的線程是可見的。當(dāng)線程釋放鎖時(shí)，會(huì)將私有內(nèi)存中的變量值刷新回主內(nèi)存。
• 有序性（Ordering）：雖然編譯器和處理器為了優(yōu)化會(huì)進(jìn)行指令重排，但synchronized可以保證多線程程序在邏輯上的執(zhí)行順序，即“同步塊內(nèi)的代碼在執(zhí)行上具有先后順序”。
• 可重入性：可重入性是指一個(gè)線程已經(jīng)獲取到某個(gè)鎖后，再次請求該鎖時(shí)可以直接獲取，無需重新競爭。synchronized是可重入鎖，其內(nèi)部通過計(jì)數(shù)器記錄鎖的持有次數(shù)（初始為0，獲取鎖時(shí)加1，釋放鎖時(shí)減1，計(jì)數(shù)器為0時(shí)鎖才被真正釋放）。這一特性避免了線程在遞歸調(diào)用同步方法/代碼塊時(shí)出現(xiàn)死鎖。例如，一個(gè)同步方法A調(diào)用另一個(gè)同步方法B（兩者鎖對象相同），線程獲取A的鎖后，調(diào)用B時(shí)可直接獲取鎖。

synchronized的使用方式

synchronized的使用靈活，可修飾不同的代碼結(jié)構(gòu)，核心是明確“鎖對象”——線程競爭的是鎖對象，只有獲取到鎖對象的線程才能執(zhí)行同步代碼，常見使用方式有3種。

• 修飾實(shí)例方法（對象鎖），語法：public synchronized void methodName() { ... }

• 鎖對象：當(dāng)前類的實(shí)例對象（this）。
• 特點(diǎn)：不同實(shí)例對象的鎖相互獨(dú)立，即多個(gè)線程訪問同一個(gè)實(shí)例的同步實(shí)例方法時(shí)會(huì)競爭鎖；訪問不同實(shí)例的同步實(shí)例方法時(shí)，因鎖對象不同，不會(huì)競爭。
• 示例：同一User實(shí)例的add()方法被多線程調(diào)用時(shí)互斥，不同User實(shí)例的add()方法可并行執(zhí)行。

• 修飾靜態(tài)方法（類鎖）語法：public static synchronized void methodName() { ... }

• 鎖對象：當(dāng)前類的Class對象（每個(gè)類在JVM中只有一個(gè)Class對象，是全局唯一的）。
• 特點(diǎn)：類鎖是全局鎖，無論創(chuàng)建多少個(gè)類的實(shí)例，所有線程訪問該類的同步靜態(tài)方法時(shí)，都會(huì)競爭同一個(gè)Class對象鎖。
• 注意：類鎖與對象鎖相互獨(dú)立，即同步靜態(tài)方法和同步實(shí)例方法的鎖對象不同，線程訪問時(shí)不會(huì)競爭。

• 修飾代碼塊（自定義鎖對象），語法：synchronized (鎖對象) { ... 同步代碼 ... }

• 鎖對象：可自定義，支持兩種類型：① 實(shí)例對象（this或其他實(shí)例）；② Class對象（類名.class）。
• 特點(diǎn)：粒度最細(xì)，可精準(zhǔn)控制需要同步的代碼片段（而非整個(gè)方法），減少鎖競爭，提高程序性能。
• 常見場景：
  • 鎖當(dāng)前實(shí)例：synchronized (this) { ... }，效果與修飾實(shí)例方法一致，但僅同步代碼塊內(nèi)的邏輯。
  • 鎖Class對象：synchronized (User.class) { ... }，效果與修飾靜態(tài)方法一致。
  • 鎖自定義對象：private Object lock = new Object(); synchronized (lock) { ... }，通過獨(dú)立的鎖對象，避免與其他同步邏輯競爭鎖，靈活性最高。

synchronized的鎖機(jī)制

• Java 6及以后對synchronized進(jìn)行了大幅優(yōu)化，引入了“偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖”三種鎖狀態(tài)，目的是根據(jù)線程競爭的激烈程度動(dòng)態(tài)切換鎖狀態(tài)，平衡性能與線程安全。鎖機(jī)制的核心是“對象頭”——Java對象在內(nèi)存中的布局包括對象頭、實(shí)例數(shù)據(jù)、對齊填充，其中對象頭存儲(chǔ)了鎖的狀態(tài)信息（Mark Word）、類元數(shù)據(jù)指針等。
• 三種鎖狀態(tài)的優(yōu)先級：無鎖 < 偏向鎖 < 輕量級鎖 < 重量級鎖，隨著線程競爭的加劇，鎖會(huì)從低級別向高級別升級，且升級過程不可逆（一旦升級為重量級鎖，無法回退為輕量級鎖或偏向鎖）。
  • 無鎖（No Lock）：初始狀態(tài)。
  • 偏向鎖（Biased Lock）：當(dāng)只有一個(gè)線程訪問同步塊時(shí)，直接在對象頭記錄線程ID，下次該線程進(jìn)入時(shí)無需CAS操作，性能極高。
  • 輕量級鎖（Lightweight Lock）：當(dāng)出現(xiàn)競爭，但競爭不激烈時(shí)，通過CAS自旋來嘗試獲取鎖，避免線程阻塞。
  • 重量級鎖（Heavyweight Lock）：當(dāng)自旋超過一定次數(shù)或競爭非常激烈時(shí)，升級為重量級鎖。此時(shí)未獲取到鎖的線程會(huì)進(jìn)入阻塞（Blocked）狀態(tài)，交給操作系統(tǒng)管理。

鎖優(yōu)化補(bǔ)充

• 鎖消除：JVM的即時(shí)編譯器（JIT）在運(yùn)行時(shí)，會(huì)對一些“不可能存在競爭的鎖”進(jìn)行消除。例如，局部變量作為鎖對象（每個(gè)線程都有獨(dú)立的局部變量，無共享），JVM會(huì)直接刪除該synchronized修飾，避免不必要的鎖開銷。
• 鎖粗化：當(dāng)多個(gè)連續(xù)的synchronized代碼塊使用同一個(gè)鎖對象時(shí)，JVM會(huì)將這些代碼塊合并為一個(gè)大的同步代碼塊，減少鎖的獲取/釋放次數(shù)（每次獲取/釋放鎖都有開銷）。例如，循環(huán)內(nèi)多次調(diào)用同步方法，JVM可能將鎖粗化到循環(huán)外部。

CAS (Compare And Swap，比較并交換) 是并發(fā)編程中實(shí)現(xiàn)原子操作的核心算法，是一種樂觀鎖的實(shí)現(xiàn)策略。

• CAS的工作原理，包含三個(gè)核心參數(shù)：

• 內(nèi)存地址 V (Memory Location)：變量在內(nèi)存中的實(shí)際值。
• 期望值 A (Expected Value)：線程認(rèn)為該變量當(dāng)前應(yīng)該是什么值。
• 新值 B (New Value)：線程想要更新成的值。
• 執(zhí)行邏輯：當(dāng)且僅當(dāng)內(nèi)存地址 V 的值等于期望值 A 時(shí)，處理器才會(huì)將 V 的值更新為 B。否則，說明該變量已被其他線程修改，當(dāng)前線程什么都不做，通常會(huì)進(jìn)入自旋（死循環(huán)重試）。

• CAS的優(yōu)缺點(diǎn)
  優(yōu)點(diǎn)：

• 非阻塞性：CAS 是一種非阻塞算法（Non-blocking），它不需要像 synchronized 那樣掛起和恢復(fù)線程。
• 性能高：在低、中度競爭的情況下，由于減少了線程上下文切換的開銷，效率遠(yuǎn)高于重量級鎖。
  缺點(diǎn)：
• 循環(huán)時(shí)間長（自旋開銷）：如果高并發(fā)下競爭激烈，CAS 會(huì)頻繁失敗并不斷自旋，這會(huì)給 CPU 帶來巨大的計(jì)算壓力。
• 只能保證一個(gè)共享變量的原子操作：對于多個(gè)變量的操作，仍需使用 synchronized 或 ReentrantLock。
• ABA 問題（最經(jīng)典的缺點(diǎn)）。

• 什么是 ABA 問題？

• 如果變量初始值為A，在線程1準(zhǔn)備修改它的過程中，線程2快速地將其改成了B，然后又改回了A。 現(xiàn)象：線程1觀察到值依然是A，認(rèn)為它沒變過，于是CAS成功。 風(fēng)險(xiǎn)：雖然數(shù)值沒變，但變量的狀態(tài)（或?qū)ο髢?nèi)部的屬性）可能已經(jīng)發(fā)生了變化，導(dǎo)致邏輯錯(cuò)誤。
• Java提供了AtomicStampedReference類，通過引入版本號（Stamp）來解決： 每次變量更新時(shí)，不僅更新值，還增加一個(gè)版本號。只有值和版本號都一致，CAS才會(huì)成功。
• 還可以設(shè)置時(shí)間戳來解決。

• CAS 在Java中的實(shí)現(xiàn)

• 在Java中，CAS主要由 sun.misc.Unsafe 類提供支持。該類中的方法（如 compareAndSwapInt）是 native 的，直接調(diào)用硬件底層的指令。

ReentrantLock（可重入鎖）

• ReentrantLock是 Java java.util.concurrent.locks 包下的可重入鎖實(shí)現(xiàn)，基于 AQS（抽象隊(duì)列同步器）構(gòu)建，是 synchronized 的 “增強(qiáng)版”—— 既保留了 synchronized 的可重入特性，又提供了更靈活的同步控制能力。

兩者對比:

ReentrantLock的特有高級功能

• 響應(yīng)中斷 (lockInterruptibly)

• synchronized一旦進(jìn)入阻塞等待，除非拿到鎖，否則無法被中斷。而ReentrantLock允許線程在等待鎖的過程中響應(yīng)Thread.interrupt()，從而避免死等。

• 超時(shí)機(jī)制 (tryLock)

• 線程可以嘗試獲取鎖，如果鎖被占用，立即返回 false 或者等待一段時(shí)間后返回，而不是一直阻塞。這在預(yù)防死鎖時(shí)非常有用。

• 公平鎖 (Fairness)

• 公平鎖：按照線程請求鎖的順序分配，先到先得。
• 非公平鎖（默認(rèn)）：允許“插隊(duì)”。如果新來的線程正好碰到鎖釋放，它可以直接搶占，性能通常比公平鎖高。

• 多個(gè) Condition 對象

• 通過lock.newCondition()，你可以創(chuàng)建多個(gè)等待集。例如在阻塞隊(duì)列中，可以定義 notFull 和 notEmpty 兩個(gè)條件，實(shí)現(xiàn)比 notifyAll 更精準(zhǔn)的線程喚醒。

基本使用示例：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class ReentrantLockDemo {
    // 創(chuàng)建非公平鎖（默認(rèn)），若需公平鎖：new ReentrantLock(true)
    private static final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    public static void doTask() {
        // 1. 普通獲取鎖（不可中斷）
        lock.lock();
        try {
            // 臨界區(qū)代碼（線程安全）
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 執(zhí)行任務(wù)");
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        } finally {
            // 必須在finally中釋放鎖，否則鎖永遠(yuǎn)無法釋放
            lock.unlock();
        }
    }
    // 超時(shí)獲取鎖示例
    public static void tryLockWithTimeout() {
        try {
            // 嘗試在2秒內(nèi)獲取鎖，獲取成功返回true，失敗返回false
            if (lock.tryLock(2, java.util.concurrent.TimeUnit.SECONDS)) {
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 超時(shí)獲取鎖成功");
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            } else {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 超時(shí)獲取鎖失敗");
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        // 測試普通獲取鎖
        new Thread(ReentrantLockDemo::doTask, "線程1").start();
        new Thread(ReentrantLockDemo::doTask, "線程2").start();
        // 測試超時(shí)獲取鎖
        new Thread(ReentrantLockDemo::tryLockWithTimeout, "線程3").start();
    }
}

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