图文详解：synchronized关键字及其底层原理

一.线程安全问题

二.synchronized关键字

▐ synchronized图解

▐ 可重入锁及图解

▐ synchronized用于方法上

三.Java标准库中synchronized的使用

四.synchronized的底层实现原理

一.线程安全问题

线程安全是指在多线程环境下，对共享资源的访问不会导致数据不一致或出现意外结果的特性。在多线程程序中，多个线程可以同时访问和操作共享数据，如果没有适当的同步机制和保护措施，可能会导致数据竞争和不一致的问题。

线程安全的实现可以通过使用互斥锁、信号量、原子操作等方法来保证。互斥锁可以保证同一时刻只有一个线程可以访问共享资源，其他线程需要等待锁的释放。信号量可以控制同时访问共享资源的线程数量。原子操作是指不可分割的操作，在执行过程中不会被其他线程中断，可以保证数据的一致性。

下面是一个简单的示例代码，展示了线程不安全的情况：

public class UnsafeThreadDemo {

    private static int counter = 0;

    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new Thread(new IncrementCounter());
        Thread thread2 = new Thread(new IncrementCounter());

        thread1.start();
        thread2.start();

        try {
            thread1.join();
            thread2.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("Counter: " + counter);
    }

    static class IncrementCounter implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 100000; i++) {
                counter++;
            }
        }
    }
}

在这个示例中，我们创建了两个线程，并且它们都执行相同的任务：对 counter 变量进行递增操作。每个线程将 counter 递增 100000 次。我们期望最终的结果是 counter 的值为 200000。然而，由于线程不安全，最终的结果很可能不是我们期望的值。

运行结果：

这是因为线程之间可以并发地访问和修改 counter 变量，而没有任何同步机制来保护它。如果两个线程同时读取并且递增 counter 的值，那么它们可能会读取到相同的值并递增相同的值，导致最终结果比期望的小一些。

要解决上述的问题，我们可以使用同步机制，例如使用 synchronized 关键字或 Lock 接口来保护共享变量的访问。这样可以确保在任何时候只有一个线程能够访问和修改 counter 的值，避免了线程不安全的情况。

二.synchronized关键字

在Java中，synchronized 是一个关键字，用于实现线程同步。当一个方法或一个代码块被synchronized修饰时，它被称为同步方法或同步代码块。这意味着每次只有一个线程可以进入该方法或代码块，其他线程必须等待，直到当前线程执行完毕并释放锁。

synchronized关键字的作用是防止多个线程同时执行同步方法或代码块，从而避免竞态条件（race condition）和数据不一致性问题。它确保了多个线程之间的协调和同步，使得共享资源可以被安全地访问和修改。

竞态条件（Race Condition）是指在多线程环境下，由于线程执行顺序的不确定性，导致程序的执行结果不确定或出现错误的情况。简单来说，就是多个线程对共享资源的访问顺序不确定，可能会导致不符合预期的结果。

synchronized 的语法如下：

 synchronized(对象) {
    //用于保护的代码
}

在使用synchronized时，需要传入一个对象作为锁。这个对象的具体含义是锁定的对象，也就是说，只有持有该对象的锁的线程才能执行被synchronized修饰的代码块或方法，其他线程必须等待直到锁被释放。这个对象可以是任意对象，但通常情况下，为了确保正确性和可读性，我们会选择一个特定的对象作为锁。

传入不同的对象就相当于使用了不同的锁。每个对象都有一个相关联的监视器（monitor），也可以说是一个锁。当一个线程进入synchronized代码块时，它必须先获得与传入对象相关联的监视器，才能执行代码块中的内容。因此，如果你传入不同的对象作为锁，那么这些对象就会对应不同的监视器，也就是说，它们是不同的锁。

这个特性很有用，因为它允许程序员精细地控制哪些代码块需要同步，哪些不需要。比如可以为不同的代码块传入不同的锁对象，以避免它们之间的互相阻塞。

对于刚才的代码，我们使用 synchronized 就可以进行改进，对于每一次 counter 变量递增的时候我们都使用synchronized 对齐进行上锁，保护其中的临界区代码

public class SafeThreadDemo {

    private static int counter = 0;

    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new Thread(new IncrementCounter());
        Thread thread2 = new Thread(new IncrementCounter());

        thread1.start();
        thread2.start();

        try {
            thread1.join();
            thread2.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("Counter: " + counter);
    }

    static class IncrementCounter implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 100000; i++) {
                synchronized (SafeThreadDemo.class) {
                    counter++;
                }
            }
        }
    }
}

在这个优化后的代码中，我们使用了SafeThreadDemo.class作为锁对象，以确保只有一个线程能够同时访问counter变量，从而避免了竞态条件，使得代码线程安全。

▐ `synchronized`图解

看完了以上的说明，相信你对synchronized关键字已经有了较为深刻的理解，用图示可以表示如下

如图，小人就相对于是一个个线程，每个房间则对应了synchronized关键字的锁对象，不同的锁对象就对应了不同的房间。当线程小人请求进入房间的时候就会进行判断，判断是否能够获取当前的锁对象，如果能获取则让该线程小人进入房间完成该线程对应的工作，并且对这个房间上锁，当其他线程小人来了后就会访问这个房间的锁，如果房间被锁上了，那么该线程小人就会阻塞等待。当房间内部的线程小人完成了他的工作后就会解开房间的锁，从而也就保证了线程的安全性。而不同的房间对应的房间钥匙也就是锁自然也是不一样，这就保证了我们对于资源的灵活分配。

▐ 可重入锁及图解

另外，synchronized实现的锁属于是可重入锁，还是用这个图示来说明：

当线程1因为时间片的分配等问题临时离开房间，失去了房间的使用权后，线程1为了确保工作的顺利完成，就并没有释放掉锁，当线程1后续被操作系统重新调度进入房间2后，他就可以继续完成之前的手头工作，对于这样的允许一个线程重复进入访问锁直到锁被释放的情况，我们就称之为该锁为可重入锁。

可重入锁（Reentrant Lock）也称为递归锁，是一种线程同步机制。可重入锁允许重复获取同一把锁，使得线程可以在持有锁的情况下再次获取该锁，而不会造成死锁。这种机制使得可重入锁可以用于同步嵌套的代码块。

可重入锁的内部实现通常会维护一个线程持有锁的计数器，并记录当前持有锁的线程。当一个线程首次尝试获取锁时，计数器会增加，并记录该线程。如果同一个线程再次尝试获取锁，计数器会递增，而不是阻塞。只有当计数器归零时，锁才会释放，允许其他线程获取锁。

▐ `synchronized`用于方法上

synchronized也可以直接作用于成员方法之上，相对于锁住的就是this对象，例如

class Test {
    public synchronized void test() {
    
    }
}
//等价于
class Test {
    public void test() {
        synchronized (this) {
        
        }
    }
}

它也可以作用于静态方法上，它锁住的相对于就是类对象

class Test {
    public synchronized static void test() {
        
    }
}
//等价于
class Test {
    public static void test() {
        synchronized (Test.class) {
            
        }
    }
}

三.Java标准库中synchronized的使用

Java 标准库中很多都是线程不安全的. 这些类可能会涉及到多线程修改共享数据, 又没有任何加锁措施，比如：

ArrayList
LinkedList
HashMap
TreeMap
HashSet
TreeSet
StringBuilder

但是还有一些是线程安全的. 使用了一些锁机制来控制.

Vector
HashTable
ConcurrentHashMap
StringBuffer

还有的虽然没有加锁, 但是不涉及 "修改", 仍然是线程安全的

String

比如在StringBuffer的核心方法中，基本上都加的有 synchronized

四.synchronized的底层实现原理

synchronized也可在底层的实现主要依赖于锁监视器monitor，在Java中，monitor是一种同步机制，用于保护共享资源的线程安全性。

Java中的monitor是通过内置锁（也称为监视器锁）来实现的。每个Java对象都可以关联一个Monitor对象，我们称之为内置锁，当一个线程进入synchronized方法或块时，它会自动获取该对象的内置锁，并在执行完synchronized代码段后释放锁。这种机制确保了同一时刻只有一个线程可以访问被synchronized保护的代码。只有在持有monitor锁的线程释放锁后，其他线程才能获取锁并执行对共享资源的访问。

这样的说明未免有点枯燥不好理解，笔者这里还是给出图示：

对于每一个Java对象都可以绑定一个Monitor对象（锁），当多个线程来执行被synchronized修饰的同步代码块时，根据JDK的调度机制会选取其中一个线程来作为该对象绑定的Monitor对象的拥有者（Owner），并且一个Monitor对象只能有一个锁主人（Owner），然后该线程便获得了执行该同步代码块的权利，而对于那些没有被选中的线程则会放入一个等待队列（EntryList）中进行等待，只有当前线程完成工作后才会更新调度规则选出新的Owner。

需要注意的是，Java中的monitor是一种高级抽象，实际上是由底层的操作系统提供的同步原语来实现的。

▐ 基于锁策略的synchronized原理

以上关于synchronized的讲解是属于在代码层次上的原理，关于锁还有一部分很重要的就是锁的策略，尤其对于synchronized来说，她有以下的一些特性：

1. 开始时是乐观锁, 如果锁冲突频繁, 就转换为悲观锁.
2. 开始是轻量级锁实现, 如果锁被持有的时间较长, 就转换成重量级锁.
3. 实现轻量级锁的时候大概率用到的自旋锁策略
4. 是一种不公平锁
5. 是一种可重入锁
6. 不是读写锁

JVM 将 synchronized 锁分为无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁状态。会根据情况，进行依次升级。

在这里对这些名词简单的解释一下，更具体的信息则需要锁策略相关的知识来说明：

锁策略详解：互斥锁、读写锁、乐观锁与悲观锁、轻量级锁与重量级锁、自旋锁、偏向锁、可重入锁与不可重入锁、公平锁与非公平锁-CSDN博客

偏向锁

第一个尝试加锁的线程, 优先进入偏向锁状态，偏向锁不是真的 "加锁", 只是给对象头中做一个 "偏向锁的标记", 记录这个锁属于哪个线程，如果后续没有其他线程来竞争该锁, 那么就不用进行其他同步操作了(避免了加锁解锁的开销)，如果后续有其他线程来竞争该锁(刚才已经在锁对象中记录了当前锁属于哪个线程了, 很容易识别当前申请锁的线程是不是之前记录的线程), 那就取消原来的偏向锁状态, 进入一般的轻量级锁状态。偏向锁本质上相当于 "延迟加锁" . 能不加锁就不加锁, 尽量来避免不必要的加锁开销，但是该做的标记还是得做的, 否则无法区分何时需要真正加锁。

自旋锁

自旋锁是一种基于循环重试的锁机制，在多线程编程中用于实现对共享资源的互斥访问。当一个线程尝试获取自旋锁时，如果锁已被其他线程持有，该线程不会立即进入阻塞状态，而是在循环中不断尝试获取锁，直到成功获取为止，或者达到最大尝试次数后才会放弃。

轻量级和重量级锁

轻量级锁是为了在多线程竞争情况下，提高性能而引入的一种锁优化技术。当一个线程尝试获取锁时，如果锁没有被其他线程占用，虚拟机会在当前线程的栈帧中使用 CAS 操作尝试将对象头部的 Mark Word 替换为指向当前线程的锁记录指针（Lock Record Pointer）。如果 CAS 操作成功，当前线程就获得了锁，并且锁的状态被标记为轻量级锁。此时其他线程访问同步块时会尝试自旋等待，而不是直接阻塞，以减少线程切换的开销。如果自旋等待一段时间后仍无法获取锁，或者其他线程争用激烈，CAS 操作失败，那么轻量级锁会膨胀为重量级锁。当轻量级锁膨胀失败时，锁会升级为重量级锁。重量级锁会使其他线程阻塞，而不是进行自旋等待，防止CPU空转浪费资源。

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