適用對(duì)象

本課程適合具備Java基礎(chǔ)語(yǔ)法知識(shí)，初步了解多線程概念但尚未系統(tǒng)學(xué)習(xí)并發(fā)編程的開(kāi)發(fā)者。無(wú)論你是準(zhǔn)備面試的求職者，還是希望提升并發(fā)編程能力的工程師，這門(mén)課程都將為你打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

學(xué)習(xí)目標(biāo)

通過(guò)兩個(gè)課時(shí)的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，你將能夠：

• 掌握 synchronized的三種使用方式及其區(qū)別
• 理解 synchronized解決線程安全問(wèn)題的核心原理
• 剖析 synchronized底層的Monitor機(jī)制和鎖升級(jí)過(guò)程
• 區(qū)分 synchronized與volatile、ReentrantLock的適用場(chǎng)景
• 應(yīng)對(duì) 面試中關(guān)于synchronized的高頻問(wèn)題

課程安排

• 第一課時(shí)（約40分鐘）：基礎(chǔ)概念、使用方式、特性詳解
• 第二課時(shí)（約50分鐘）：底層原理、鎖升級(jí)機(jī)制、對(duì)比與實(shí)戰(zhàn)

第一課時(shí)：synchronized基礎(chǔ)與使用

1.1 從一個(gè)線程安全問(wèn)題開(kāi)始

讓我們先看一個(gè)經(jīng)典問(wèn)題：兩個(gè)線程同時(shí)對(duì)共享變量執(zhí)行自增操作。

public class Counter {
    private int count = 0;
    public void increment() {
        count++; // 不是原子操作！
    }
    public int getCount() {
        return count;
    }
}
// 測(cè)試代碼
public class Test {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Counter counter = new Counter();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 10000; i++) counter.increment();
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 10000; i++) counter.increment();
        });
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println("最終結(jié)果: " + counter.getCount()); // 期望20000，實(shí)際小于20000
    }
}

運(yùn)行結(jié)果：多次執(zhí)行，結(jié)果總是小于20000，有時(shí)甚至相差甚遠(yuǎn)。

問(wèn)題根源：count++看似一行代碼，但在JVM中分解為三條指令：

1. 從主內(nèi)存讀取count到工作內(nèi)存（讀）
2. 對(duì)count進(jìn)行加1操作（改）
3. 將結(jié)果寫(xiě)回主內(nèi)存（寫(xiě)）

當(dāng)兩個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行這三步時(shí)，可能發(fā)生交替執(zhí)行，導(dǎo)致最后寫(xiě)入的值覆蓋了之前的計(jì)算結(jié)果——這就是典型的競(jìng)態(tài)條件。

1.2 synchronized是什么？

synchronized是Java提供的一個(gè)關(guān)鍵字，譯為“同步”。它可以保證在同一時(shí)刻，最多只有一個(gè)線程執(zhí)行被它修飾的代碼段，從而解決并發(fā)環(huán)境下的線程安全問(wèn)題。

從專業(yè)角度說(shuō)，synchronized實(shí)現(xiàn)了互斥訪問(wèn)，它保證了三個(gè)關(guān)鍵特性：

1.3 初識(shí)synchronized的三種用法

synchronized的使用非常靈活，可以根據(jù)需要選擇不同的加鎖對(duì)象。下面我們通過(guò)三個(gè)典型場(chǎng)景來(lái)理解它們的區(qū)別。

1.3.1 修飾實(shí)例方法

public class SyncMethodDemo {
    private int count = 0;
    // synchronized修飾實(shí)例方法，鎖是當(dāng)前對(duì)象this
    public synchronized void increment() {
        count++;
    }
}

特點(diǎn)：

• 鎖對(duì)象是調(diào)用該方法的實(shí)例對(duì)象（即this）
• 同一個(gè)對(duì)象的多個(gè)synchronized實(shí)例方法，共用同一把鎖
• 不同對(duì)象的方法互不干擾

示意圖：

線程A ──> obj1.increment() ──> 獲取obj1鎖 ──> 執(zhí)行
線程B ──> obj1.increment() ──> 等待obj1鎖
線程C ──> obj2.increment() ──> 獲取obj2鎖 ──> 執(zhí)行（與A不沖突）

1.3.2 修飾靜態(tài)方法

public class SyncStaticDemo {
    private static int count = 0;
    // synchronized修飾靜態(tài)方法，鎖是當(dāng)前類(lèi)的Class對(duì)象
    public static synchronized void increment() {
        count++;
    }
}

特點(diǎn)：

• 鎖對(duì)象是當(dāng)前類(lèi)的Class對(duì)象（如SyncStaticDemo.class）
• 所有實(shí)例對(duì)象共享同一把類(lèi)鎖
• 靜態(tài)方法鎖與實(shí)例方法鎖互不干擾

思考題：如果一個(gè)類(lèi)既有synchronized靜態(tài)方法，又有synchronized實(shí)例方法，兩個(gè)線程分別調(diào)用它們，會(huì)互斥嗎？

• 答案：不會(huì)。因?yàn)橐粋€(gè)是類(lèi)鎖，一個(gè)是對(duì)象鎖，兩把不同的鎖。

1.3.3 修飾代碼塊

public class SyncBlockDemo {
    private Object lock = new Object();
    private int count = 0;
    public void increment() {
        // 同步代碼塊，鎖是指定的lock對(duì)象
        synchronized (lock) {
            count++;
        }
    }
    public void decrement() {
        // 也可以鎖this
        synchronized (this) {
            count--;
        }
    }
}

特點(diǎn)：

• 鎖對(duì)象可以任意指定，靈活性最高
• 可以精確控制同步范圍，提高并發(fā)性能
• 常用鎖對(duì)象：this、自定義鎖對(duì)象、類(lèi).class

1.4 深入理解鎖的范圍

1.4.1 三種鎖的對(duì)比表格

1.4.2 常見(jiàn)面試題解析

問(wèn)題1：synchronized修飾代碼塊可以給類(lèi)加鎖嗎？
當(dāng)然可以！只要在括號(hào)內(nèi)傳入類(lèi)名.class即可。例如：

synchronized (SyncBlockDemo.class) {
    // 這是類(lèi)鎖
}

問(wèn)題2：構(gòu)造方法可以用synchronized修飾嗎？
不可以！Java語(yǔ)法規(guī)定構(gòu)造方法不能是同步的。實(shí)際上，構(gòu)造方法本身就是線程安全的，因?yàn)镴VM會(huì)保證在對(duì)象初始化完成前，其他線程無(wú)法訪問(wèn)該對(duì)象。

問(wèn)題3：靜態(tài)同步方法和非靜態(tài)同步方法同時(shí)調(diào)用會(huì)互斥嗎？
不會(huì)互斥。假設(shè)線程A調(diào)用實(shí)例對(duì)象的非靜態(tài)同步方法，線程B同時(shí)調(diào)用該對(duì)象所屬類(lèi)的靜態(tài)同步方法，它們持有的是兩把不同的鎖（對(duì)象鎖 vs 類(lèi)鎖），因此可以并行執(zhí)行。

1.5 synchronized的核心特性

1.5.1 可重入性

概念：同一個(gè)線程在持有鎖的情況下，可以再次獲取同一把鎖，而不會(huì)被阻塞。

public class ReentrantDemo {
    public synchronized void methodA() {
        System.out.println("進(jìn)入methodA");
        methodB(); // 直接調(diào)用，不會(huì)死鎖
    }
    public synchronized void methodB() {
        System.out.println("進(jìn)入methodB");
    }
}

為什么需要可重入？
如果沒(méi)有可重入性，線程在調(diào)用methodA獲取鎖后，調(diào)用methodB時(shí)發(fā)現(xiàn)自己還要申請(qǐng)同一把鎖，就會(huì)形成死鎖。這顯然不合理。

實(shí)現(xiàn)原理：每個(gè)鎖關(guān)聯(lián)一個(gè)持有線程和一個(gè)計(jì)數(shù)器。線程第一次獲取鎖時(shí)，計(jì)數(shù)器置為1；同一線程再次獲取時(shí)，計(jì)數(shù)器遞增；釋放一次，計(jì)數(shù)器遞減。直到計(jì)數(shù)器歸零，鎖才真正釋放。

1.5.2 可見(jiàn)性保證

synchronized不僅能保證原子性，還能保證內(nèi)存可見(jiàn)性。JMM（Java內(nèi)存模型）規(guī)定：

• 線程釋放鎖時(shí)，會(huì)將工作內(nèi)存中的共享變量刷新到主內(nèi)存
• 線程獲取鎖時(shí)，會(huì)清空工作內(nèi)存，從主內(nèi)存重新讀取共享變量

這就確保了：一個(gè)線程修改的共享變量，在釋放鎖后，其他線程能立即看到最新值。

1.6 第一課時(shí)小結(jié)

• synchronized是Java內(nèi)置的同步關(guān)鍵字，解決原子性、可見(jiàn)性、有序性問(wèn)題
• 三種使用方式：實(shí)例方法（鎖this）、靜態(tài)方法（鎖Class對(duì)象）、代碼塊（鎖任意對(duì)象）
• 核心特性：可重入性、可見(jiàn)性、互斥性
• 不同鎖對(duì)象決定了不同的同步范圍

第二課時(shí)：synchronized原理與優(yōu)化

2.1 從字節(jié)碼看synchronized的本質(zhì)

2.1.1 同步代碼塊的字節(jié)碼

先看一段簡(jiǎn)單的同步代碼塊：

public class SyncCodeBlock {
    public void doSomething() {
        synchronized (this) {
            System.out.println("hello");
        }
    }
}

使用javap -c -v反編譯后，關(guān)鍵字節(jié)碼如下：

 3: monitorenter      // 進(jìn)入同步塊，獲取監(jiān)視器鎖
 4: getstatic         // 調(diào)用System.out
 7: ldc               // 加載字符串
 9: invokevirtual     // 調(diào)用println
12: aload_1
13: monitorexit       // 退出同步塊，釋放監(jiān)視器鎖
14: goto 22           // 正常結(jié)束跳轉(zhuǎn)
17: astore_2          // 異常處理開(kāi)始
18: aload_1
19: monitorexit       // 異常時(shí)也釋放鎖
20: aload_2
21: athrow            // 拋出異常
22: return

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：

• 同步代碼塊使用monitorenter和monitorexit指令
• 有兩個(gè)monitorexit：一個(gè)正常退出，一個(gè)異常退出，確保鎖一定被釋放
• 這就是為什么synchronized即使拋出異常也不會(huì)死鎖

2.1.2 同步方法的字節(jié)碼

public synchronized void syncMethod() {
    System.out.println("hello");
}

反編譯結(jié)果：

public synchronized void syncMethod();
  descriptor: ()V
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED  // 注意這個(gè)標(biāo)志
  Code:
   0: getstatic     #2
   3: ldc           #3
   5: invokevirtual #4
   8: return

同步方法沒(méi)有monitorenter/monitorexit指令，而是通過(guò)方法表flags中的ACC_SYNCHRONIZED標(biāo)識(shí)。JVM根據(jù)這個(gè)標(biāo)識(shí)判斷是否需要獲取鎖。

結(jié)論：兩種實(shí)現(xiàn)方式本質(zhì)上都是獲取對(duì)象的監(jiān)視器鎖（Monitor Lock），只是表現(xiàn)形式不同。

2.2 Monitor機(jī)制深度剖析

2.2.1 什么是Monitor？

Monitor（監(jiān)視器）是操作系統(tǒng)中用于實(shí)現(xiàn)線程同步的機(jī)制。Java中的每個(gè)對(duì)象都與一個(gè)Monitor關(guān)聯(lián)，這個(gè)關(guān)聯(lián)關(guān)系存儲(chǔ)在對(duì)象頭的Mark Word中。

可以把Monitor理解為一個(gè)“接待室”，里面有三個(gè)關(guān)鍵區(qū)域：

                  ┌─────────────────────┐
                  │      Owner          │ ← 當(dāng)前持有鎖的線程
                  ├─────────────────────┤
                  │     EntryList       │ ← 等待獲取鎖的線程隊(duì)列
                  ├─────────────────────┤
                  │     WaitSet         │ ← 調(diào)用了wait()的線程隊(duì)列
                  └─────────────────────┘

2.2.2 Monitor的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在HotSpot虛擬機(jī)中，Monitor由C++的ObjectMonitor類(lèi)實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵字段如下：

2.2.3 鎖獲取和釋放的完整流程

以兩個(gè)線程T0和T1競(jìng)爭(zhēng)鎖為例：

步驟1：線程T0嘗試獲取鎖

• 根據(jù)對(duì)象頭找到對(duì)應(yīng)的ObjectMonitor
• 檢查_owner是否為null
• 通過(guò)CAS操作將_owner設(shè)為T(mén)0，_count設(shè)為1
• T0獲取鎖成功，進(jìn)入同步塊執(zhí)行

步驟2：線程T1嘗試獲取鎖

• 此時(shí)_owner為T(mén)0，T1 CAS失敗
• T1會(huì)先自旋幾次嘗試（適應(yīng)性自旋）
• 如果T0很快釋放鎖，T1就成功獲取
• 如果T0未釋放，T1進(jìn)入_EntryList阻塞等待

步驟3：T0釋放鎖

• 執(zhí)行monitorexit，_count減1
• 若_count變?yōu)?，_owner設(shè)為null
• 喚醒_EntryList中的線程（通常是隊(duì)首線程）
• T1被喚醒，重新競(jìng)爭(zhēng)鎖

2.3 鎖升級(jí)：從偏向鎖到重量級(jí)鎖

早期Java的synchronized性能較差，被稱為“重量級(jí)鎖”。JDK 1.6之后引入了一系列優(yōu)化，讓synchronized的性能大幅提升。這就是著名的鎖升級(jí)機(jī)制。

2.3.1 為什么需要鎖升級(jí)？

想象一下這些場(chǎng)景：

• 場(chǎng)景A：只有一個(gè)線程訪問(wèn)同步代碼，根本不需要鎖競(jìng)爭(zhēng)
• 場(chǎng)景B：兩個(gè)線程交替訪問(wèn)，幾乎沒(méi)有同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)
• 場(chǎng)景C：多個(gè)線程激烈競(jìng)爭(zhēng)，需要操作系統(tǒng)級(jí)別的鎖

如果用重量級(jí)鎖統(tǒng)一處理所有場(chǎng)景，場(chǎng)景A和B會(huì)造成不必要的性能開(kāi)銷(xiāo)。鎖升級(jí)就是讓synchronized能夠根據(jù)競(jìng)爭(zhēng)激烈程度，動(dòng)態(tài)調(diào)整鎖的“重量”。

2.3.2 鎖的四種狀態(tài)

從低到高，鎖有四種狀態(tài)：

1. 無(wú)鎖狀態(tài)
2. 偏向鎖
3. 輕量級(jí)鎖
4. 重量級(jí)鎖

鎖可以升級(jí)，但不能降級(jí)（除了一次GC清理）。

2.3.3 偏向鎖（Biased Locking）

適用場(chǎng)景：只有一個(gè)線程反復(fù)獲取同一把鎖。

原理：

• 第一次獲取鎖時(shí)，通過(guò)CAS將線程ID記錄到對(duì)象頭
• 之后該線程再來(lái)時(shí)，只需檢查對(duì)象頭中是否是自己ID
• 如果是，直接進(jìn)入，無(wú)需任何同步操作

示例代碼：

public class BiasedLockDemo {
    private static List<Integer> list = new Vector<>(); // Vector的方法都是同步的
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            list.add(i); // 同一線程反復(fù)獲取鎖
        }
    }
}

優(yōu)點(diǎn)：幾乎沒(méi)有加鎖開(kāi)銷(xiāo)，性能極高。
缺點(diǎn)：一旦有其他線程嘗試競(jìng)爭(zhēng)，偏向鎖立即撤銷(xiāo)并升級(jí)。

注意：從JDK 15開(kāi)始，偏向鎖被標(biāo)記為廢棄，未來(lái)可能移除。因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中，它的性能提升有限，且維護(hù)成本高。

2.3.4 輕量級(jí)鎖（Lightweight Locking）

適用場(chǎng)景：兩個(gè)線程交替執(zhí)行同步塊，沒(méi)有真正的競(jìng)爭(zhēng)。

原理：

• 線程在自己的棧幀中創(chuàng)建Lock Record，存儲(chǔ)對(duì)象頭的拷貝
• 通過(guò)CAS嘗試將對(duì)象頭指向Lock Record
• 如果成功，獲取輕量級(jí)鎖
• 如果失敗，說(shuō)明有競(jìng)爭(zhēng)，升級(jí)為重量級(jí)鎖

輕量級(jí)鎖的解鎖：

• 通過(guò)CAS將對(duì)象頭恢復(fù)為原Mark Word
• 如果恢復(fù)成功，解鎖完成
• 如果失敗，說(shuō)明已經(jīng)升級(jí)為重量級(jí)鎖，走重量級(jí)鎖解鎖流程

2.3.5 重量級(jí)鎖（Heavyweight Locking）

適用場(chǎng)景：多個(gè)線程激烈競(jìng)爭(zhēng)。

原理：

• 線程進(jìn)入_EntryList隊(duì)列阻塞
• 依賴操作系統(tǒng)Mutex Lock實(shí)現(xiàn)
• 涉及用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)切換，開(kāi)銷(xiāo)較大

2.3.6 鎖升級(jí)流程總結(jié)

                   偏向鎖
                     │
                     │ 有其他線程嘗試獲取
                     ↓
                 輕量級(jí)鎖
                     │
                     │ 有真實(shí)競(jìng)爭(zhēng)
                     ↓
                 重量級(jí)鎖

2.4 synchronized與volatile的對(duì)比

volatile適用示例：

public class VolatileDemo {
    private volatile boolean flag = true; // 只作為狀態(tài)標(biāo)志
    public void stop() {
        flag = false; // 簡(jiǎn)單寫(xiě)操作
    }
    public void run() {
        while (flag) {
            // 執(zhí)行任務(wù)
        }
    }
}

2.5 synchronized與ReentrantLock的對(duì)比

2.5.1 對(duì)比表格

2.5.2 如何選擇？

優(yōu)先使用synchronized的情況：

• 同步邏輯簡(jiǎn)單，不需要高級(jí)功能
• 希望代碼簡(jiǎn)潔不易出錯(cuò)
• JVM持續(xù)優(yōu)化，性能已很好

選擇ReentrantLock的情況：

• 需要公平鎖
• 需要嘗試獲取鎖或超時(shí)獲取
• 需要可中斷的鎖獲取
• 需要多個(gè)條件變量（如生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式）
• 高競(jìng)爭(zhēng)場(chǎng)景需要更精細(xì)控制

2.5.3 ReentrantLock使用示例

ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true); // 公平鎖
Condition notFull = lock.newCondition();
Condition notEmpty = lock.newCondition();
// 標(biāo)準(zhǔn)使用模式
lock.lock();
try {
    // 臨界區(qū)代碼
    while (條件不滿足) {
        notEmpty.await(); // 等待
    }
    // 執(zhí)行操作
    notFull.signal();
} finally {
    lock.unlock(); // 必須釋放
}

2.6 實(shí)戰(zhàn)：線程安全的單例模式

綜合運(yùn)用synchronized，實(shí)現(xiàn)幾種經(jīng)典的單例模式。

2.6.1 餓漢式（線程安全）

public class EagerSingleton {
    private static final EagerSingleton INSTANCE = new EagerSingleton();
    private EagerSingleton() {}
    public static EagerSingleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

2.6.2 懶漢式（同步方法版）

public class LazySingleton {
    private static LazySingleton instance;
    private LazySingleton() {}
    public static synchronized LazySingleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new LazySingleton();
        }
        return instance;
    }
}

2.6.3 雙重檢查鎖（DCL）

public class DCLSingleton {
    // volatile保證可見(jiàn)性和禁止重排序
    private static volatile DCLSingleton instance;
    private DCLSingleton() {}
    public static DCLSingleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (DCLSingleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new DCLSingleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

為什么需要volatile？
instance = new DCLSingleton()不是原子操作，可能發(fā)生指令重排序。如果不加volatile，其他線程可能拿到一個(gè)未初始化完成的對(duì)象。這是DCL的關(guān)鍵細(xì)節(jié)。

2.7 第二課時(shí)小結(jié)

• synchronized底層基于Monitor實(shí)現(xiàn)，字節(jié)碼層面使用monitorenter/monitorexit或ACC_SYNCHRONIZED
• 鎖升級(jí)機(jī)制（偏向鎖→輕量級(jí)鎖→重量級(jí)鎖）大幅提升了性能
• synchronized保證原子性、可見(jiàn)性、有序性，是全面的同步工具
• 與volatile相比，synchronized更重量但功能更全
• 與ReentrantLock相比，synchronized簡(jiǎn)單易用，ReentrantLock功能更豐富
• 實(shí)際開(kāi)發(fā)中，根據(jù)場(chǎng)景選擇合適的同步機(jī)制

課程總結(jié)

通過(guò)兩個(gè)課時(shí)的學(xué)習(xí)，我們?nèi)嬲莆樟藄ynchronized關(guān)鍵字：

• 第一課時(shí)：從線程安全問(wèn)題出發(fā)，學(xué)習(xí)了synchronized的三種使用方式、鎖的范圍、可重入性等基礎(chǔ)概念
• 第二課時(shí)：深入底層，剖析了Monitor機(jī)制、鎖升級(jí)流程，并對(duì)比了volatile和ReentrantLock

synchronized作為Java最基礎(chǔ)的同步工具，雖然簡(jiǎn)單，但背后的原理并不簡(jiǎn)單。理解它的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，不僅能幫助我們寫(xiě)出更正確的并發(fā)程序，還能在面試中脫穎而出。

課后思考題

1. 如果一個(gè)線程在同步塊中拋出異常，鎖會(huì)自動(dòng)釋放嗎？為什么？
2. 偏向鎖在JDK 15中被廢棄的原因是什么？談?wù)勀愕睦斫狻?/li>
3. 如何用synchronized實(shí)現(xiàn)一個(gè)阻塞隊(duì)列？
4. 為什么說(shuō)synchronized是“悲觀鎖”，而CAS是“樂(lè)觀鎖”？

到此這篇關(guān)于Java synchronized關(guān)鍵字詳解：從入門(mén)到原理（兩課時(shí)）的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java synchronized關(guān)鍵字內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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