一、synchronized的用法

synchronized 關(guān)鍵字用于實現(xiàn)線程同步，確保多個線程在訪問共享資源時不會發(fā)生數(shù)據(jù)競爭和不一致的問題。它主要有三種使用方式：

1. 同步實例方法

public synchronized void method() {
    // 同步代碼
}

• 鎖對象是當(dāng)前實例（this）。
• 同一個實例的多個線程調(diào)用此方法時會互斥。

2. 同步靜態(tài)方法

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

• 鎖對象是當(dāng)前類的 Class 對象（如 MyClass.class）。
• 所有實例的線程調(diào)用此方法時都會互斥。

3. 同步代碼塊

synchronized (lockObject) {
    // 同步代碼
}

• 可以靈活指定鎖對象（可以是任意對象）。
• 縮小了同步范圍，提高性能。

4. 深入：wait(),notify(),notifyAll()

這三個方法是定義在 Object 類中的本地方法，必須在一個同步代碼塊或同步方法內(nèi)（即已經(jīng)持有該對象的監(jiān)視器鎖）調(diào)用，否則會拋出 IllegalMonitorStateException 異常。它們與 synchronized 配合使用，實現(xiàn)線程間的協(xié)調(diào)（等待/通知機制）。

• wait(): 使當(dāng)前線程釋放其持有的對象鎖，并進入等待狀態(tài)（WAITING），直到其他線程調(diào)用該對象的 notify() 或 notifyAll() 方法，或被中斷。調(diào)用后，線程會釋放鎖。
• notify(): 隨機喚醒一個正在等待該對象鎖的線程。被喚醒的線程會從等待池移動到阻塞隊列（EntryList）中，等待鎖釋放后重新競爭鎖。
• notifyAll(): 喚醒所有正在等待該對象鎖的線程。這些線程都會被移動到阻塞隊列中，共同競爭鎖。

典型的生產(chǎn)者-消費者模式示例：

public class WaitNotifyExample {
    private final Object lock = new Object();
    private boolean conditionMet = false;

    public void consumer() throws InterruptedException {
        synchronized (lock) {
            // 使用while循環(huán)防止"虛假喚醒"
            while (!conditionMet) {
                lock.wait(); // 釋放lock鎖，當(dāng)前線程進入等待
            }
            // 條件滿足，執(zhí)行消費任務(wù)
            System.out.println("Consuming...");
            conditionMet = false;
            lock.notifyAll(); // 消費完成，通知生產(chǎn)者
        }
    }

    public void producer() throws InterruptedException {
        synchronized (lock) {
            while (conditionMet) {
                lock.wait(); // 如果條件已滿足，則等待消費者消費
            }
            // 生產(chǎn)任務(wù)
            System.out.println("Producing...");
            conditionMet = true;
            lock.notifyAll(); // 生產(chǎn)完成，通知消費者
        }
    }
}

關(guān)鍵點：

1. 總是需要在循環(huán)中調(diào)用 wait() 以防止虛假喚醒（Spurious Wakeup），即線程可能在沒有被通知、中斷或超時的情況下醒來。
2. wait() 會釋放鎖，而 sleep() 不會。
3. 通常更推薦使用 notifyAll()，因為 notify() 是隨機喚醒，可能導(dǎo)致某些線程永遠無法被喚醒（線程饑餓）。

二、底層原理

synchronized 的底層實現(xiàn)依賴于 JVM 內(nèi)部的 監(jiān)視器鎖（Monitor） 機制，主要涉及以下概念：

1. 對象頭與 Mark Word

• 在 HotSpot 虛擬機中，每個對象都有一個對象頭，其中包含 Mark Word（標(biāo)記字段）。
• Mark Word 的長度為 32位 或 64位，用于存儲對象的哈希碼、分代年齡、鎖狀態(tài)標(biāo)志位等信息。鎖的狀態(tài)就記錄在這里。

2. 鎖升級的詳細過程

為了平衡性能與安全性，JVM 對 synchronized 進行了優(yōu)化，引入了鎖升級機制。這個過程是單向的：無鎖 → 偏向鎖 → 輕量級鎖 → 重量級鎖。

1. 無鎖狀態(tài) (01)

   • 初始狀態(tài)，對象剛被創(chuàng)建，尚未有任何線程競爭。

2. 偏向鎖 (Biased Locking) (01)

   • 目的：消除在無競爭情況下的同步開銷。假設(shè)在大多數(shù)情況下，鎖不僅不存在多線程競爭，而且總是由同一線程多次獲得。
   • 流程：
     • 加鎖：當(dāng)一個線程第一次訪問同步塊時，它會通過 CAS 操作將自己的 線程ID 寫入對象頭的 Mark Word。如果成功，則進入偏向模式，鎖標(biāo)志位變?yōu)?01，且偏向模式標(biāo)志為 1。
     • 執(zhí)行：此后，只要這個線程再次進入同步塊，只需檢查 Mark Word 中的線程ID是否是自己。如果是，則無需任何同步操作（如CAS、系統(tǒng)互斥）直接執(zhí)行，極大提升性能。
     • 撤銷：一旦出現(xiàn)另一個線程來嘗試競爭鎖，偏向鎖就會撤銷（Revoke Bias）。撤銷過程需要等待全局安全點（STW），然后檢查原持有偏向鎖的線程是否仍活躍。如果活躍，則鎖升級為輕量級鎖；如果已不活躍，則可將對象置為無鎖狀態(tài)，重新偏向新的線程。

3. 輕量級鎖 (Lightweight Locking) (00)

   • 目的：在有多線程競爭，但競爭時間錯開（即近乎交替執(zhí)行）的場景下，避免線程直接進入阻塞，減少用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換開銷。
   • 加鎖流程：
     • 線程在執(zhí)行同步塊之前，JVM 會先在當(dāng)前線程的棧幀中創(chuàng)建一個名為鎖記錄（Lock Record） 的空間。
     • 將對象頭的 Mark Word 復(fù)制到線程的鎖記錄中（稱為 Displaced Mark Word）。
     • 線程嘗試通過 CAS 操作將對象頭的 Mark Word 替換為指向其鎖記錄的指針。
     • 如果成功，當(dāng)前線程獲得鎖，鎖標(biāo)志位變?yōu)?00。
     • 如果失敗，表示至少有一條線程與當(dāng)前線程競爭，當(dāng)前線程會嘗試自旋（循環(huán)重試CAS操作）來獲取鎖。
   • 解鎖流程：
     • 使用 CAS 操作將 Displaced Mark Word 替換回對象頭。
     • 如果成功，表示沒有競爭發(fā)生。
     • 如果失敗，表示當(dāng)前鎖存在競爭，鎖會膨脹為重量級鎖，并在解鎖時喚醒等待的線程。
   • 自旋優(yōu)化：線程不會立即阻塞，而是循環(huán)嘗試獲取鎖。避免了線程上下文切換的開銷，但會消耗CPU。如果自旋過度（如自旋次數(shù)超過閾值，或競爭的線程數(shù)過多），鎖會直接升級為重量級鎖。

4. 重量級鎖 (Heavyweight Locking) (10)

   • 目的：處理高并發(fā)、激烈競爭的場景。
   • 流程：當(dāng)輕量級鎖競爭失敗后，會膨脹為重量級鎖。此時，Mark Word 中存儲的是指向一個互斥量（Mutex） 的指針，這個互斥量由操作系統(tǒng)內(nèi)核提供。
   • 所有等待鎖的線程都會進入阻塞狀態(tài)（BLOCKED），不再消耗CPU。鎖的獲取和釋放需要操作系統(tǒng)進行線程的掛起和喚醒，這個過程涉及到復(fù)雜的用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換，開銷最大。

鎖升級狀態(tài)總結(jié)表：

3. 底層指令

• 同步代碼塊通過 monitorenter 和 monitorexit 指令實現(xiàn)：
  • 進入同步塊時執(zhí)行 monitorenter，退出時執(zhí)行 monitorexit（包括正常退出和異常退出）。
• 同步方法通過方法表中的 ACC_SYNCHRONIZED 標(biāo)志標(biāo)識，JVM通過此標(biāo)志判斷是否需要同步。

三、注意事項

1. 可重入性：synchronized 是可重入鎖，同一線程可多次獲取同一把鎖。
2. 鎖對象不能為 null：同步代碼塊的鎖對象不能是 null，否則會拋出 NullPointerException。
3. 性能考慮：
   • 盡量減小同步范圍（使用代碼塊而非整個方法）。
   • 避免鎖競爭激烈，否則會升級為重量級鎖，降低性能。
4. 與 Lock 的區(qū)別：
   • synchronized 是關(guān)鍵字，JVM 級別實現(xiàn)；Lock 是 API 級別實現(xiàn)。
   • Lock 更靈活（可中斷、超時、公平鎖等），但需手動釋放鎖。
5. wait/notify 使用注意：
   • 必須在同步塊內(nèi)調(diào)用。
   • 使用 while 循環(huán)檢查條件，防止虛假喚醒。
   • 明確鎖對象，調(diào)用 obj.wait() 時必須持有 obj 的鎖。

四、示例代碼

public class SynchronizedExample {
    private final Object lock = new Object();
    private int count = 0;

    // 同步實例方法
    public synchronized void increment() {
        count++;
    }

    // 同步靜態(tài)方法
    public static synchronized void staticMethod() {
        // ...
    }

    // 同步代碼塊
    public void doSomething() {
        synchronized (lock) {
            // 同步代碼
        }
    }
}

總結(jié)

synchronized 是 Java 中最基本的線程同步機制，通過 JVM 的 Monitor 和精細的鎖升級策略（偏向鎖->輕量級鎖->重量級鎖）實現(xiàn)了在高性能無競爭場景和高強度競爭場景下的自適應(yīng)同步。其內(nèi)置的 wait/notify 機制為線程間協(xié)調(diào)提供了基礎(chǔ)。使用時需注意鎖的范圍、競爭情況以及 wait/notify 的正確用法，以避免性能問題和邏輯錯誤。對于更復(fù)雜的場景，可以考慮 java.util.concurrent 包中的高級并發(fā)工具。

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