一把锁的两种承诺：synchronized 如何同时保证互斥与内存可见性？

2025-09-24
北京
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在多线程环境中，‌临界区（Critical Section）是指一次只能由一个线程执行的代码段，这些代码通常涉及对共享资源（如变量、数据结构、文件或数据库连接）的访问或修改。临界区的存在是为了解决并发控制中的两大核心问题。‌ 1）数据不一致性‌：如果多个线程同时对共享资源进行写操作，可能会破坏数据的完整性，导致其状态与预期不符。‌ 2）竞态条件：程序的执行结果依赖于线程调度和执行的偶然顺序，这使得程序行为变得不可预测，难以调试。

为了保护临界区，Java 提供了多种互斥（Mutual Exclusion）机制，其中 synchronized 关键字是最常用且强大的工具之一。synchronized 实现互斥的基础是 Java 中的每一个对象都可以作为锁，这个锁是排他的，在任意时刻只有两种状态：被占用和未被占用。当线程请求一个由其他线程持有的锁时，请求的线程会被阻塞，直到锁被释放。这种机制确保了在任何时刻，只有一个线程能够进入临界区执行代码。synchronized 有两种使用方式。1）synchronized 修饰方法：锁是当前实例对象。它修饰的方法称为同步方法。

public synchronized void method() {    // ...}

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2）synchronized 修饰代码块：锁是 synchronized 括号里配置的对象。它修饰的代码块称为同步代码块。

public void method() {
    synchronized (this) {        // ...    }
}

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synchronized 与 happens-before 关系在 Java 内存模型中，对 synchronized 关键字建立如下的 happens-before 关系：释放锁的操作 happens-before 之后对同一把锁的获取的锁操作。

class LockingExample {    int x = 0;    public synchronized void set() {    // 1        x++;                            // 2    }                                   // 3
    public synchronized void get() {    // 4        int i = x;                      // 5        // ......    }                                    //6}

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假设线程 A 执行 set()方法，随后线程 B 执行 get()方法。假设线程 A 获取锁执行 set()方法，在 set()方法中，对共享变量 x 自增+1，然后释放锁。线程 B 获取锁执行 get()方法，在 get()方法中，读取变量 x，并赋值给本地变量 i，然后释放锁。根据 happens-before 规则，可以确定线程 A 对 x 的修改 happens-before 线程 B 对 x 的读取，从而保证了数据的一致性。这个过程建立的 happens-before 关系可以分为 3 类。1）程序次序规则：1 happens-before 2，2 happens-before 3；4 happens-before 5，5 happens-before 6；2）监视器锁规则：3 happens-before 4；3）happens-before 的传递性规则： happens-before 5。上述 happens-before 关系的图形化表现形式如下。