线程安全与synchronized

一、线程安全基础：竞态条件 & 临界区

1. 竞态条件（Race Condition）

多个线程同时操作、修改同一个共享变量，执行结果依赖线程执行的先后顺序，最终导致结果错误。

• 根本原因：读 - 改 - 写三步不是原子操作。
• 典型例子：i++ 多线程下计数错误。

2. 临界区（Critical Section）

会发生线程安全问题的代码块，就是临界区。

• 多个线程同时进入临界区 → 线程不安全。
• 同一时间只允许一个线程进入 → 线程安全。

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二、synchronized 三种使用方式

synchronized 是独占互斥锁，保证同一时刻只有一个线程进入临界区。

1. 修饰实例方法（锁当前对象 this）

public synchronized void method() {
    // 临界区
}

锁对象：this（当前实例对象）

2. 修饰静态方法（锁当前类 Class 对象）

public static synchronized void staticMethod() {
    // 临界区
}

锁对象：当前类.class（全局唯一）

3. 修饰代码块（灵活指定锁对象）

synchronized (锁对象) {
    // 临界区
}

锁对象：可以是任意对象（推荐用 private final Object lock = new Object()）

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三、synchronized 三大锁特性

1. 互斥性（Mutex）

同一时刻只有一个线程能持有锁，其他线程阻塞等待。

→ 保证原子性。

2. 可重入性（Reentrant）

同一个线程可以再次获取自己已经持有的锁，不会死锁。

• 底层：锁关联计数器，获取 + 1，释放 - 1，为 0 才真正释放。
• 作用：避免同一个线程多次调用同步方法时死锁。

3. 内存语义（Memory Semantics）

保证：

• 可见性：解锁前把变量刷回主内存，加锁时重新读取主内存。
• 有序性：禁止临界区内外代码重排。

临界区内部可以重排；临界区外部代码，不能重排到临界区内部；临界区内部代码，也不能重排到外部。

• 原子性：整块代码串行执行。

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四、锁升级流程（重点！面试必考）

JDK 1.6 以后为了优化性能，synchronized 不再一上来就是重量级锁，而是逐步升级：

无锁 → 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁

只会升级，不会降级。

1. 偏向锁（Biased Lock）

• 场景：只有一个线程反复获取锁，无竞争。
• 原理：锁对象标记当前线程 ID，下次直接进，无 CAS 操作。
• 特点：开销极低。

2. 轻量级锁（Lightweight Lock）

• 场景：少量线程竞争，交替获取锁（无长时间阻塞）。
• 原理：使用CAS + 自旋尝试获取锁，不阻塞线程。
• 特点：避免线程阻塞 / 唤醒的开销，消耗 CPU。

3. 重量级锁（Heavyweight Lock）

• 场景：高竞争、线程长时间占用锁。
• 原理：内核态互斥锁，线程阻塞进入等待队列。
• 特点：不消耗 CPU，但线程切换开销大。

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五、synchronized 底层：Monitor 机制

1. 什么是 Monitor？

Monitor 叫管程 / 监视器，是 JVM 底层实现的同步机制（C++ 实现）。

每个对象天生关联一个 Monitor。

2. 核心结构

• _owner：持有锁的线程
• _WaitSet：wait () 等待队列
• _EntryList：阻塞等待队列

3. 加锁 / 解锁流程

1. 线程进入同步块 → 尝试获取 Monitor。
2. 若未被持有 → _owner 指向当前线程，计数器 + 1。
3. 若已被持有 → 进入 _EntryList 阻塞。
4. 线程 wait () → 释放锁，进入 _WaitSet。
5. 执行完毕 → 释放锁，唤醒等待线程。

4. 底层指令

• 加锁：monitorenter
• 解锁：monitorexit（自动生成，异常也会保证解锁）