一把锁的两种承诺：synchronized如何同时保证互斥与内存可见性？

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。

java 复制代码

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

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。

java 复制代码

public void method() {

    synchronized (this) {
        // ...
    }

}

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。

java 复制代码

class LockingExample {
    int x = 0;
    public synchronized void set() {    // 1
        x++;                            // 2
    }                                   // 3

    public synchronized void get() {    // 4
        int i = x;                      // 5
        // ......
    }                                    //6
}

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。

synchronized内存语义

synchronized释放锁的内存语义：当线程释放锁时，Java内存模型会把该线程对应的本地内存中的共享变量刷新到主内存中。

A线程释放锁后，共享数据的状态如图所示。

synchronized获取锁的内存语义：当线程获取锁时，Java内存模型会把该线程对应的本地内存置为无效。从而使得被监视器保护的临界区代码必须从主内存中读取共享变量。

B线程释放锁后，共享数据的状态如图所示。

对比锁释放-获取与volatile写-读的内存语义可以看出：锁释放与volatile写有相同的内存语义；锁获取与volatile读有相同的内存语

义。这表明synchronized不仅提供了互斥访问的同步机制，还具备了volatile的内存可见性保障。

未完待续

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