synchronized 提供互斥性、可见性和有序性三重语义保证:互斥性确保同一时刻仅一个线程执行临界区代码;可见性通过加锁清空缓存、解锁刷新主内存实现;有序性借助内存屏障禁止指令重排序穿越锁边界。

synchronized 在 Java 中不只是“加个锁”那么简单,它提供的是三重语义保证:互斥性(原子性)、可见性和有序性。这三者共同构成线程安全的基础,缺一不可。
互斥性:确保同一时刻只有一个线程进入临界区
当多个线程竞争同一个锁(如 synchronized(this) 或 synchronized(MyClass.class))时,JVM 保证最多一个线程能持有该锁并执行同步块/方法。其他线程会阻塞在锁入口处,直到锁被释放。
- 锁对象决定互斥粒度:用
this锁实例方法 → 同一对象的多个同步方法互斥;用MyClass.class锁静态方法 → 所有该类实例共享同一把类锁 - 即使方法内部调用其他同步方法,只要锁对象相同,仍属于同一临界区(得益于可重入性)
- 注意:不同锁对象之间不互斥。例如
synchronized(obj1)和synchronized(obj2)可并发执行
可见性:强制刷新主内存,避免线程间数据 stale
Java 内存模型规定:线程释放锁前,必须将工作内存中所有共享变量的最新值刷新回主内存;线程获取锁后,必须清空本地缓存,重新从主内存读取变量值。这就解决了“修改不被对方看到”的问题。
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- 对比
volatile:它只保证可见性,不保证原子性;synchronized两者都保证 - 典型场景:一个线程在 synchronized 块内修改了
count++,另一个线程随后进入同一锁保护的块,一定能读到更新后的值 - 没有 synchronized 时,编译器或 CPU 可能将变量缓存在寄存器或 CPU Cache 中,导致其他线程永远看不到变更
有序性:禁止指令重排序穿越锁边界
Java 允许编译器和处理器为优化性能对指令重排,但必须遵守 happens-before 规则。synchronized 的解锁操作 happens-before 后续对该锁的加锁操作。这意味着:锁内的代码不会被重排到锁外,且锁外的读写也不会“越过”锁边界提前或延后执行。
- 例如:线程 A 在 synchronized 块内先赋值
ready = true,再写data = 42;线程 B 获取同一锁后读ready为 true,则一定能看到data == 42 - 这种顺序保障不是靠禁止所有重排,而是通过内存屏障(memory barrier)插入在加锁/解锁处实现的
- 它比
volatile的有序性更强——后者仅对 volatile 变量本身及其前后有限制,而 synchronized 约束的是整个临界区的执行顺序
底层支撑:Monitor 与对象头 Mark Word
这些语义不是凭空实现的。HotSpot JVM 将锁信息存储在对象头的 Mark Word 中,并借助操作系统级的 Monitor(监视器) 实现等待/唤醒机制:
- 无锁状态:Mark Word 存哈希码、GC年龄等
- 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁:根据竞争程度动态升级,减少开销
- Monitor 包含 Owner、EntryList(阻塞队列)、WaitSet(wait() 挂起队列),真正管理线程调度
- 每次 enter/exit monitor 都触发内存屏障,从而落实可见性与有序性
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