说说synchronize的用法及原理（synchronize作用）-技术文章-醋醋百科网

一句话总结

synchronized用于控制多线程对共享资源的访问，可修饰方法或代码块，通过指定锁对象实现互斥。其原理基于对象内部的监视器锁（Monitor），线程进入时获取锁，退出时释放锁，底层依赖操作系统的互斥锁及内存屏障机制保证原子性与可见性。JVM会优化锁状态（偏向锁、轻量级锁等）提升性能。

详细解析

synchronized 是 Java 中用于实现线程同步的关键字，通过内置锁（Monitor）机制保证多线程环境下代码块或方法的互斥访问。以下是其用法及底层原理的详细说明：

一、synchronized 的用法

1. 修饰实例方法

锁对象：当前实例对象（this）。
作用范围：整个方法体。
示例：

public synchronized void instanceMethod() {
    // 同步代码
}

2. 修饰静态方法

锁对象：类的Class对象（如MyClass.class）。
作用范围：整个静态方法体。
示例：

public static synchronized void staticMethod() {
    // 同步代码
}

3. 修饰代码块

锁对象：显式指定的任意对象（通常为共享资源）。
作用范围：代码块内部。
示例：

private final Object lock = new Object();

public void blockMethod() {
    synchronized (lock) {
        // 同步代码
    }
}

二、synchronized 的原理

1. 底层实现

字节码指令：通过monitorenter和monitorexit指令实现锁的获取与释放。
对象头结构：每个 Java 对象在内存中分为三部分：

对象头（Header）：存储锁状态、GC 分代年龄、哈希码等。
实例数据（Instance Data）：对象的字段值。
对齐填充（Padding）：补齐内存对齐。

对象头中的锁标记：

Mark Word（32/64 位）：存储锁标志位（如无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁）。

2. 锁升级过程

JDK 1.6 后，synchronized 引入了 锁膨胀 机制，根据竞争情况动态升级锁状态，以平衡性能与开销：

锁状态	适用场景	实现方式
无锁	无竞争	直接访问资源
偏向锁	单线程重复访问	在 Mark Word 中记录线程 ID
轻量级锁	多线程交替执行，无实际竞争	CAS 自旋获取锁
重量级锁	多线程高竞争	通过操作系统互斥量（Mutex）实现

锁升级流程：

无锁 → 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁

3. 锁膨胀机制详解

偏向锁：

目的：减少无竞争时的锁开销。
触发条件：锁对象首次被线程访问。
实现：Mark Word 记录线程 ID，后续无需 CAS 操作。
撤销：当其他线程尝试获取锁时，偏向锁升级为轻量级锁。

轻量级锁：

目的：减少线程阻塞开销，通过自旋（CAS）竞争锁。
触发条件：多个线程交替执行，未发生竞争。
实现：将对象头替换为指向线程栈中锁记录的指针。
失败处理：自旋超过阈值（默认 10 次）后升级为重量级锁。

重量级锁：

目的：应对高并发竞争场景。
实现：通过操作系统互斥量（Mutex）阻塞线程，进入等待队列。
开销：涉及用户态与内核态切换，性能较低。

三、synchronized 的特性

特性	说明
互斥性	同一时间仅允许一个线程持有锁。
可见性	锁释放前，变量的修改会刷新到主内存；锁获取时，本地缓存失效。
可重入性	同一线程可重复获取同一把锁（锁计数器递增）。
非公平锁	默认非公平，允许插队竞争，提高吞吐量。

四、示例解析

1. 单例模式（双重检查锁）

public class Singleton {
    private volatile static Singleton instance;

    private Singleton() {}

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

volatile 作用：防止指令重排序导致未初始化对象被引用。
synchronized 作用：保证单例创建的原子性。

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