Java 並發核心：深度解析 synchronized、鎖優化與 Lock 體系

一、synchronized 關鍵字

synchronized 是 Java 內置鎖，用於修飾方法或代碼塊，保證同一時刻只有一個線程執行該段代碼。分為兩種形式：

• 同步方法：public synchronized void method()，鎖是當前實例對象（this）。
• 同步代碼塊：synchronized(obj) { ... }，鎖是括號內的對象，常用 this。

同步代碼塊優勢

縮小同步範圍（臨界區），只保護共享數據，提高並發性能。

synchronized(this) 關鍵特性

1. 兩線程訪問同一對象的同步塊，同一時刻只能一個執行。
2. 線程訪問同步塊時，其他線程仍可訪問該對象的非同步代碼。
3. 線程持有對象鎖期間，其他線程訪問該對象所有同步塊均阻塞。

二、鎖的本質與分類

什麼是鎖？

生活中鎖保護門、箱子；Java 中鎖保護共享數據（堆中實例變量、方法區類變量）。JVM 為每個對象/類關聯一個監視器，監視器通過鎖實現排他訪問。

鎖的對象是什麼？

經典錯誤：不同實例無法同步

public class ThreadTest implements Runnable {
    public synchronized void run() { ... }
    public static void main(String[] args) {
        for (int i=0; i<5; i++)
            new Thread(new ThreadTest()).start(); // 每次 new 新實例，鎖不同，無法同步！
    }
}

修正：共享同一實例 new Thread(sharedInstance)，或使用 static 同步方法（鎖為 Class 對象）。

三、鎖升級機制（JDK 1.6+）

四種狀態：無鎖 → 偏向鎖 → 輕量級鎖 → 重量級鎖，隨競爭升級，不可降級。目標：提升獲取/釋放鎖效率。

• 鎖自旋：線程不立即阻塞，循環等待鎖釋放，減少上下文切換開銷。
• 偏向鎖：無競爭時，鎖偏向首個獲取線程，後續該線程進出同步塊無需 CAS，極低開銷。有競爭則撤銷偏向。
• 輕量級鎖：線程棧幀建立鎖記錄，用 CAS 替換對象頭 Mark Word。無競爭時避免互斥量開銷；有競爭則膨脹為重量級鎖，反而更慢。
• 鎖粗化：將多次細粒度鎖合併為一次粗粒度鎖，減少加/解鎖開銷。
• 鎖消除：JIT 編譯器發現無共享數據競爭，直接刪除同步。

四、公平性與飢餓

飢餓成因：高優先級線程佔用 CPU、同步塊無序進入導致線程長期等待、wait() 隨機喚醒。

解決：使用公平鎖（如 ReentrantLock(true)），保證線程按請求順序獲取鎖。

五、可重入性

線程可重複獲得自己持有的鎖，計數器機制：獲取 +1，釋放 -1，歸零才真正釋放。避免父子類同步方法調用死鎖。

六、java.util.concurrent.locks 體系

提供比 synchronized 更靈活的鎖機制：

• ReentrantLock：可重入互斥鎖，支持公平/非公平、可中斷、超時獲取、條件變量。
• ReentrantReadWriteLock：讀寫分離，讀鎖共享、寫鎖獨占。
• Condition：綁定鎖的條件等待/通知，替代 Object.wait/notify。
• Semaphore：計數信號量，控制並發訪問數。
• CyclicBarrier：屏障點同步，線程組相互等待。

七、總結

synchronized 經過 JDK 1.6 優化（偏向鎖、輕量級鎖、自旋、消除、粗化），性能大幅提升，代碼簡潔，首選。Lock 提供更豐富語義（公平、可中斷、條件變量），適用於複雜並發控制場景。理解鎖升級、可重入、公平性原理，是編寫高性能並發程序的基石。