synchronized与volatile关键字详解

发布日期：2021-05-14 09:31:31 浏览次数：20 分类：精选文章

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synchronized锁与volatile变量

synchronized锁

synchronized是一种同步锁，在Java中用于保证代码块或方法的线程安全。它通过加锁机制确保同一时间只有一个线程能够执行被锁定代码块。

synchronized的使用方法

方法级锁定：用于保护实例方法，确保每个实例只能由一个线程访问

类级锁定：用于保护静态方法，确保所有实例共享同一锁定

代码块级锁定：允许开发者指定锁定对象（如某个实例或类）

synchronized的底层原理

JVM通过 monitor 对象实现同步机制。每个对象都有一个 monitor，用于管理锁定状态。线程在执行monitorenter指令时，会尝试获取monitor的所有权。一旦获得锁定，其他线程必须等待直到锁被释放。

monitor的状态包括无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁四种形式。轻量级锁在竞争少的情况下使用，能减少线程等待时间；而重量级锁在竞争多的情况下使用，确保线程不再自旋，提高系统吞吐量。

Java对象头的锁存储

Java对象头中的Mark Word存储锁相关信息。Mark Word的结构包括对象的哈希码、分代年龄和锁标志位。当线程请求锁定时，JVM会检查Mark Word中的锁状态，并根据情况进行锁升级或降级。

Mark Word的锁标志位可以是以下几种状态：

- 0：无锁- 1：偏向锁- 2：轻量级锁- 3：重量级锁

锁升级与降级机制

锁类型	优点	缺点	适用场景
偏向锁	加锁和释锁成本低	在有锁竞争时会导致线程等待	单线程或无竞争场景
轻量级锁	减少线程等待时间	自旋线程会占用CPU资源	需要快速响应的场景
重量级锁	线程不自旋	增加线程等待时间	需要高吞吐量的场景

synchronized的特性

可重入性：同一线程可以在外层函数获得锁后，进入内层函数继续执行

不可中断性：线程必须等待直到锁被释放

volatile变量

volatile是Java中用于确保共享变量可见性的轻量级关键字。它避免了线程之间的内存不一致问题，但不能保证原子性和线程安全性。

volatile的作用

可见性：保证多线程环境下变量的可见性

防止指令重排：在多线程环境下防止JVM的指令重排导致的线程安全问题

不保证原子性：需要结合其他机制（如AtomicInteger）来实现原子性操作

volatile的底层原理

volatile变量在JMM中的存储机制包括：

1. 不在线程本地内存中存储变量副本2. 每个线程都有自己的缓存，读取和写入主内存时需要通过内存屏障（memory barrier）进行同步

通过这种机制，volatile变量确保了线程之间的读写可见性，避免了内存一致性的问题。

synchronized与volatile的对比

使用范围：synchronized可以修饰方法和代码块，而volatile只能修饰变量

同步机制：synchronized提供线程同步，而volatile只提供可见性

性能开销：synchronized的开销较高，volatile的开销较低

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