Java 同步關(guān)鍵字 synchronized：用法 + 場(chǎng)景 + 避坑指南

一、介紹

在 Java 中，synchronized 是 內(nèi)置的線程同步機(jī)制，用于解決多線程并發(fā)訪問(wèn)共享資源時(shí)的線程安全問(wèn)題（如競(jìng)態(tài)條件、數(shù)據(jù)不一致）。其核心原理是 通過(guò) “鎖” 控制多個(gè)線程對(duì)共享資源的互斥訪問(wèn)，確保同一時(shí)刻只有一個(gè)線程能執(zhí)行臨界區(qū)代碼。

二、主要特點(diǎn)

1. 互斥性：同一時(shí)刻，只有一個(gè)線程能持有鎖并執(zhí)行臨界區(qū)代碼（其他線程需阻塞等待鎖釋放）。
2. 可見(jiàn)性：鎖釋放時(shí)，線程對(duì)共享變量的修改會(huì)被 “刷新” 到主內(nèi)存；其他線程獲取鎖時(shí)，會(huì)從主內(nèi)存重新讀取變量（避免緩存一致性問(wèn)題）。
3. 有序性：禁止指令重排序（臨界區(qū)代碼在多線程視角下按順序執(zhí)行）。

舉個(gè)例子：

synchronized 就像一個(gè) “共享資源的專屬門(mén)衛(wèi)”：

• 它守著一個(gè) “資源入口”（臨界區(qū)）；
• 每個(gè)想用資源的 “線程”，都得先跟門(mén)衛(wèi)要 “通行證”（獲取鎖）；
• 門(mén)衛(wèi)只給一個(gè)人發(fā)通行證，其他人只能在門(mén)口排隊(duì)（阻塞）；
• 拿到通行證的人用完資源后，必須把通行證還給門(mén)衛(wèi)（釋放鎖），下一個(gè)排隊(duì)的人才能拿到；
• 門(mén)衛(wèi)還認(rèn)人（可重入性）：同一個(gè)人再要通行證，直接給，不用排隊(duì)；
• 門(mén)衛(wèi)還能靈活守 “小門(mén)”（代碼塊）或 “大門(mén)”（整個(gè)方法）：守小門(mén)效率高，守大門(mén)簡(jiǎn)單但容易堵。

synchronized 的核心作用 ——讓多線程 “排隊(duì)使用共享資源”，避免混亂和沖突。

三、使用場(chǎng)景（3 種形式）

synchronized 可修飾 方法 或 代碼塊，本質(zhì)是對(duì) “鎖對(duì)象” 加鎖，鎖的粒度決定同步范圍。

1. 修飾實(shí)例方法（對(duì)象鎖）

• 鎖對(duì)象：當(dāng)前 實(shí)例對(duì)象（this）。
• 效果：同一實(shí)例的多個(gè)線程，競(jìng)爭(zhēng)同一把鎖；不同實(shí)例的線程互不影響（各自持有自己的鎖）。

public class SynchronizedDemo {
    // 實(shí)例方法加鎖：鎖是當(dāng)前對(duì)象（this）
    public synchronized void instanceMethod() {
        // 臨界區(qū)：共享資源操作（如修改實(shí)例變量）
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 執(zhí)行實(shí)例方法");
        try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) {}
    }
    public static void main(String[] args) {
        SynchronizedDemo demo = new SynchronizedDemo();
        // 兩個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng) demo 實(shí)例的鎖，串行執(zhí)行
        new Thread(demo::instanceMethod, "線程1").start();
        new Thread(demo::instanceMethod, "線程2").start(); // 等待線程1釋放鎖
    }
}

2. 修飾靜態(tài)方法（類鎖）

• 鎖對(duì)象：當(dāng)前類的 Class 對(duì)象（類的唯一全局鎖）。
• 效果：所有該類的實(shí)例（無(wú)論多少個(gè)對(duì)象）共享同一把鎖，多線程競(jìng)爭(zhēng)類鎖時(shí)串行執(zhí)行。

public class SynchronizedDemo {
    // 靜態(tài)方法加鎖：鎖是 SynchronizedDemo.class
    public static synchronized void staticMethod() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 執(zhí)行靜態(tài)方法");
        try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) {}
    }
    public static void main(String[] args) {
        SynchronizedDemo demo1 = new SynchronizedDemo();
        SynchronizedDemo demo2 = new SynchronizedDemo();
        // 兩個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)同一把類鎖（SynchronizedDemo.class），串行執(zhí)行
        new Thread(demo1::staticMethod, "線程A").start();
        new Thread(demo2::staticMethod, "線程B").start(); // 等待線程A釋放鎖
    }
}

3. 修飾代碼塊（顯式指定鎖對(duì)象）

• 鎖對(duì)象：可自定義（任意 非 null 對(duì)象，如 this、Class 對(duì)象、自定義對(duì)象）。
• 效果：僅對(duì)代碼塊內(nèi)的邏輯加鎖，粒度更細(xì)（推薦，減少鎖競(jìng)爭(zhēng)開(kāi)銷）。

public class SynchronizedDemo {
    private final Object lock = new Object(); // 自定義鎖對(duì)象（推薦用 final，避免鎖對(duì)象被修改）
    private int count = 0;
    public void syncBlock() {
        // 1. 自定義對(duì)象鎖：鎖定 lock 對(duì)象
        synchronized (lock) {
            count++;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "：count=" + count);
        }
        // 2. 實(shí)例鎖（等價(jià)于修飾實(shí)例方法）
        synchronized (this) {
            // 臨界區(qū)邏輯
        }
        // 3. 類鎖（等價(jià)于修飾靜態(tài)方法）
        synchronized (SynchronizedDemo.class) {
            // 臨界區(qū)邏輯
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        SynchronizedDemo demo = new SynchronizedDemo();
        // 多線程競(jìng)爭(zhēng) lock 對(duì)象，count 自增線程安全
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            new Thread(demo::syncBlock, "線程" + i).start();
        }
    }
}

舉個(gè)示例：

假設(shè)某電商平臺(tái)有一款爆款商品，庫(kù)存僅剩 10 件。同時(shí)有 100 個(gè)用戶搶購(gòu)（每個(gè)用戶對(duì)應(yīng)一個(gè)線程），每個(gè)用戶搶購(gòu) 1 件商品。要求：

1. 庫(kù)存不能為負(fù)數(shù)；
2. 最終賣出的商品數(shù)量 = 初始庫(kù)存（不能多賣，也不能少賣）。

如果不加 synchronized，會(huì)出現(xiàn) “超賣”（比如庫(kù)存 10，但賣出 12 件）；加了 synchronized 后，能保證線程安全，精準(zhǔn)扣減庫(kù)存。

不加synchronized（線程不安全，會(huì)超賣）

public class StockDemo {
    // 商品初始庫(kù)存：10件
    private int stock = 10;
    // 搶購(gòu)方法（未加鎖）
    public void buy() {
        // 1. 檢查庫(kù)存是否充足
        if (stock > 0) {
            // 模擬網(wǎng)絡(luò)延遲（放大線程安全問(wèn)題）
            try { Thread.sleep(10); } catch (InterruptedException e) {}
            // 2. 庫(kù)存扣減
            stock--;
            // 3. 打印搶購(gòu)結(jié)果
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 搶購(gòu)成功！剩余庫(kù)存：" + stock);
        } else {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 搶購(gòu)失??！庫(kù)存不足");
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        StockDemo stock = new StockDemo();
        // 100個(gè)用戶同時(shí)搶購(gòu)（100個(gè)線程）
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            new Thread(stock::buy, "用戶" + (i + 1)).start();
        }
    }
}

結(jié)果：

用戶1 搶購(gòu)成功！剩余庫(kù)存：9
用戶2 搶購(gòu)成功！剩余庫(kù)存：8
...
用戶10 搶購(gòu)成功！剩余庫(kù)存：0
用戶11 搶購(gòu)成功！剩余庫(kù)存：-1  // 超賣了！庫(kù)存為負(fù)數(shù)
用戶12 搶購(gòu)成功！剩余庫(kù)存：-2  // 繼續(xù)超賣

問(wèn)題原因：多個(gè)線程同時(shí)進(jìn)入 if (stock > 0) 判斷（比如庫(kù)存還剩 1 時(shí)，5 個(gè)線程同時(shí)通過(guò)判斷），之后都執(zhí)行 stock--，導(dǎo)致庫(kù)存被多次扣減，出現(xiàn)負(fù)數(shù)。

加synchronized（線程安全，無(wú)超賣）

給 buy() 方法加 synchronized，或給 “庫(kù)存檢查 + 扣減” 的臨界區(qū)加鎖，保證同一時(shí)刻只有一個(gè)線程能執(zhí)行核心邏輯：

public class StockDemo {
    private int stock = 10;
    // 方案1：修飾實(shí)例方法（鎖對(duì)象是當(dāng)前 StockDemo 實(shí)例）
    public synchronized void buy() {
        if (stock > 0) {
            try { Thread.sleep(10); } catch (InterruptedException e) {}
            stock--;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 搶購(gòu)成功！剩余庫(kù)存：" + stock);
        } else {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 搶購(gòu)失??！庫(kù)存不足");
        }
    }
    // 方案2：修飾代碼塊（鎖對(duì)象自定義，粒度更細(xì)，推薦）
    /*
    public void buy() {
        synchronized (this) {  // 鎖當(dāng)前實(shí)例，也可以用自定義鎖對(duì)象（如 private final Object lock = new Object();）
            if (stock > 0) {
                try { Thread.sleep(10); } catch (InterruptedException e) {}
                stock--;
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 搶購(gòu)成功！剩余庫(kù)存：" + stock);
            } else {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 搶購(gòu)失??！庫(kù)存不足");
            }
        }
    }
    */
    public static void main(String[] args) {
        StockDemo stock = new StockDemo();
        // 100個(gè)用戶同時(shí)搶購(gòu)
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            new Thread(stock::buy, "用戶" + (i + 1)).start();
        }
    }
}

結(jié)果：

用戶1 搶購(gòu)成功！剩余庫(kù)存：9
用戶2 搶購(gòu)成功！剩余庫(kù)存：8
...
用戶10 搶購(gòu)成功！剩余庫(kù)存：0
用戶11 搶購(gòu)失?。?kù)存不足
用戶12 搶購(gòu)失?。?kù)存不足
...
用戶100 搶購(gòu)失?。?kù)存不足

擴(kuò)展：如果是多實(shí)例場(chǎng)景？

如果電商平臺(tái)部署了多個(gè)服務(wù)實(shí)例（每個(gè)實(shí)例都是一個(gè) StockDemo 對(duì)象），此時(shí) synchronized（對(duì)象鎖 / 類鎖）只能保證 “單個(gè)實(shí)例內(nèi)的線程安全”，無(wú)法跨實(shí)例同步（比如實(shí)例 1 的庫(kù)存 10，實(shí)例 2 的庫(kù)存 10，可能導(dǎo)致總超賣 20 件）。

這種情況需要 分布式鎖（如 Redis 分布式鎖、ZooKeeper 分布式鎖），本質(zhì)是把 “鎖” 放到多個(gè)實(shí)例都能訪問(wèn)的公共地方（如 Redis），實(shí)現(xiàn)跨實(shí)例的互斥。

但單實(shí)例內(nèi)的并發(fā)安全，synchronized 完全能搞定，且簡(jiǎn)單高效。

四、鎖的實(shí)現(xiàn)原理（JVM 層面）

synchronized 早期基于 重量級(jí)鎖（依賴操作系統(tǒng)內(nèi)核的互斥量 mutex，切換成本高），JDK 6 后引入 鎖優(yōu)化（偏向鎖、輕量級(jí)鎖、重量級(jí)鎖），通過(guò) 對(duì)象頭（Mark Word） 存儲(chǔ)鎖狀態(tài)：

1. 對(duì)象頭（Mark Word）結(jié)構(gòu)

Java 對(duì)象在內(nèi)存中分為 3 部分：對(duì)象頭、實(shí)例數(shù)據(jù)、對(duì)齊填充。其中 Mark Word 是實(shí)現(xiàn)鎖的核心，存儲(chǔ)內(nèi)容隨鎖狀態(tài)變化：

2. 鎖升級(jí)流程（從低開(kāi)銷到高開(kāi)銷）

JVM 按 “競(jìng)爭(zhēng)程度” 動(dòng)態(tài)升級(jí)鎖，避免不必要的性能損耗：

1. 偏向鎖：?jiǎn)尉€程場(chǎng)景下，線程獲取鎖后，Mark Word 記錄線程 ID，后續(xù)無(wú)需再次競(jìng)爭(zhēng)（直接復(fù)用鎖），開(kāi)銷極低。
2. 輕量級(jí)鎖：多線程交替執(zhí)行臨界區(qū)（無(wú)激烈競(jìng)爭(zhēng)），線程通過(guò) CAS（原子操作） 將 Mark Word 替換為自己的鎖記錄指針，避免內(nèi)核態(tài)切換。
3. 重量級(jí)鎖：多線程同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)鎖（激烈競(jìng)爭(zhēng)），CAS 失敗的線程阻塞等待（依賴操作系統(tǒng) mutex），開(kāi)銷最高。

五、關(guān)鍵特性

1. 可重入性：同一線程可多次獲取同一把鎖（不會(huì)死鎖）。例如：

public synchronized void methodA() {
    methodB(); // 同一線程再次獲取當(dāng)前對(duì)象鎖，允許執(zhí)行
}
public synchronized void methodB() {}

1. 原理：鎖記錄中維護(hù) 重入計(jì)數(shù)器，線程首次獲取鎖時(shí)計(jì)數(shù)器 = 1，再次獲取時(shí)計(jì)數(shù)器 + 1，釋放時(shí)計(jì)數(shù)器 - 1，直至為 0 釋放鎖。
2. 不可中斷性：線程獲取鎖時(shí)（如重量級(jí)鎖），若鎖被占用，線程會(huì)進(jìn)入 BLOCKED 狀態(tài)，無(wú)法被中斷（需等待鎖釋放）。
3. 非公平鎖：默認(rèn)是 非公平鎖（線程釋放鎖后，等待隊(duì)列中的線程和新請(qǐng)求鎖的線程競(jìng)爭(zhēng)，新線程可能 “插隊(duì)”），無(wú)法直接改為公平鎖（需借助 ReentrantLock）。

六、與 Lock 接口的對(duì)比

synchronized 是 JVM 內(nèi)置鎖，java.util.concurrent.locks.Lock 是 API 層面的鎖，核心差異如下：

七、使用注意事項(xiàng)

• 鎖粒度不宜過(guò)大：避免對(duì)整個(gè)方法加鎖（尤其是包含非臨界區(qū)邏輯時(shí)），優(yōu)先使用代碼塊鎖定最小臨界區(qū)（減少鎖競(jìng)爭(zhēng)）。
• 鎖對(duì)象不可變：代碼塊鎖的對(duì)象需用 final 修飾（避免鎖對(duì)象被重新賦值，導(dǎo)致多線程持有不同鎖，失去同步效果）。
• 避免死鎖：
  • 多個(gè)線程獲取鎖的順序保持一致（如線程 1 先鎖 A 再鎖 B，線程 2 也先鎖 A 再鎖 B）；
  • 避免鎖嵌套過(guò)深；
  • 可使用超時(shí)鎖（Lock.tryLock()）替代 synchronized 防止死鎖。
• 避免鎖競(jìng)爭(zhēng)激烈場(chǎng)景：
  • 高并發(fā)下，synchronized 重量級(jí)鎖的性能較差，可考慮用ConcurrentHashMap 等并發(fā)容器，或通過(guò)分段鎖、無(wú)鎖編程（CAS）優(yōu)化。

八、總結(jié)

synchronized 是 Java 最基礎(chǔ)、最常用的線程同步方式，優(yōu)點(diǎn)是 簡(jiǎn)單易用、無(wú)需手動(dòng)釋放鎖、JVM 自動(dòng)優(yōu)化，適合解決大多數(shù)線程安全問(wèn)題（如簡(jiǎn)單的共享變量修改、方法同步）。其核心是通過(guò) “鎖對(duì)象” 實(shí)現(xiàn)互斥訪問(wèn)，結(jié)合 JDK 6 后的鎖升級(jí)機(jī)制，在低競(jìng)爭(zhēng)場(chǎng)景下性能優(yōu)異，高競(jìng)爭(zhēng)場(chǎng)景下可考慮用 Lock 接口或并發(fā)容器替代，若是多實(shí)例場(chǎng)景使用分布式鎖。

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