前言
Java的 synchronized 关键字是 Java 并发编程中最基础、最常用的线程同步机制，它的主要作用是保证多线程在访问共享资源时的线程安全。
采用synchronized修饰符实现的同步机制叫做互斥锁机制，它所获得的锁叫做互斥锁。每个对象都有一个monitor(锁标记)，当线程拥有这个锁标记时才能访问这个资源，没有锁标记便进入锁池。任何一个对象系统都会为其创建一个互斥锁，这个锁是为了分配给线程的，防止打断原子操作。每个对象的锁只能分配给一个线程，因此叫做互斥锁。
本文的重点是 synchronized 原理，如果你对其他章节不感兴趣可以直接阅读第三章节。
使用方式
synchronized 可以锁定不同的对象，主要是实例级别和类级别两个方面：
| 锁定对象类型 | 语法形式 | 锁对象 | 作用范围 |
|---|---|---|---|
| 实例锁 | synchronized 实例方法 | this（当前实例） | 当前实例的所有同步实例方法 |
| 特定对象锁 | synchronized(object) | 任意对象（字段、局部变量等） | 锁定特定代码块 |
| 静态锁 | synchronized static 方法 | 类对象（Class对象） | 类的所有实例的所有静态同步方法 |
| 类字面量锁 | synchronized(ClassName.class) | 类对象（Class对象） | 锁定特定代码块 |
| 字符串字面量锁 | synchronized("LOCK") | 字符串常量池中的对象 | 全局范围的锁 |
| 参数对象锁 | synchronized(param) | 方法参数对象 | 根据参数对象确定 |
代码示例：
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
/**
* synchronized 锁定不同对象的完整示例
* 演示6种不同的锁定方式及其并发行为
*/
public class SynchronizedDifferentLocksDemo {
// ========== 各种锁对象定义 ==========
private final Object customLock1 = new Object(); // 特定对象锁1
private final Object customLock2 = new Object(); // 特定对象锁2
private final String lockKey = "USER_"; // 字符串锁前缀
private int instanceCounter = 0; // 实例变量
private static int staticCounter = 0; // 静态变量
// ========== 1. 实例锁 ==========
/**
* 方式1：实例方法锁 - 锁定当前实例 (this)
* 作用：保护实例变量，同一实例的方法调用会互斥
*/
public synchronized void instanceMethodLock() {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()
+ " 进入实例方法锁，保护实例变量: " + instanceCounter);
try {
instanceCounter++;
Thread.sleep(300); // 模拟业务处理
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()
+ " 离开实例方法锁，实例变量: " + instanceCounter);
}
/**
* 方式2：同步代码块锁定当前实例 - 等价于实例方法锁
*/
public void instanceBlockLock() {
synchronized (this) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()
+ " 进入实例代码块锁");
try {
Thread.sleep(200);
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()
+ " 离开实例代码块锁");
}
}
// ========== 2. 特定对象锁 ==========
/**
* 方式3：锁定特定对象1 - 细粒度锁
* 作用：减少锁竞争，提高并发度
*/
public void customObjectLock1() {
synchronized (customLock1) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()
+ " 进入特定对象锁1");
try {
Thread.sleep(250);
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()
+ " 离开特定对象锁1");
}
}
/**
* 方式4：锁定特定对象2 - 与锁1不同，可以并行执行
*/
public void customObjectLock2() {
synchronized (customLock2) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()
+ " 进入特定对象锁2");
try {
Thread.sleep(250);
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()
+ " 离开特定对象锁2");
}
}
// ========== 3. 静态锁 ==========
/**
* 方式5：静态方法锁 - 锁定类对象
* 作用：保护静态变量，所有实例共享同一把锁
*/
public static synchronized void staticMethodLock() {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()
+ " 进入静态方法锁，保护静态变量: " + staticCounter);
try {
staticCounter++;
Thread.sleep(350);
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()
+ " 离开静态方法锁，静态变量: " + staticCounter);
}
// ========== 4. 类字面量锁 ==========
/**
* 方式6：类字面量锁 - 锁定类对象，与静态锁等价
* 作用：类级别互斥
*/
public void classLiteralLock() {
synchronized (SynchronizedDifferentLocksDemo.class) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()
+ " 进入类字面量锁");
try {
Thread.sleep(300);
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()
+ " 离开类字面量锁");
}
}
// ========== 5. 字符串字面量锁 ==========
/**
* 方式7：字符串字面量锁（慎用）
* 问题：字符串常量池共享，可能导致意外的锁竞争
*/
public void stringLiteralLock(String userId) {
// 使用字符串常量作为锁 - 不推荐！
String lock = lockKey + userId;
synchronized (lock.intern()) { // intern()返回常量池中的引用
System.out.println(Thread.currentThread().getName()
+ " 进入字符串锁，用户: " + userId);
try {
Thread.sleep(200);
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()
+ " 离开字符串锁，用户: " + userId);
}
}
// ========== 6. 参数对象锁 ==========
/**
* 方式8：参数对象锁 - 动态锁
* 作用：根据传入对象决定锁粒度
*/
public void parameterObjectLock(Object lockObject) {
synchronized (lockObject) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()
+ " 进入参数对象锁，对象: " + lockObject.getClass().getSimpleName());
try {
Thread.sleep(150);
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()
+ " 离开参数对象锁");
}
}
// ========== 测试方法 ==========
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
SynchronizedDifferentLocksDemo demo1 = new SynchronizedDifferentLocksDemo();
SynchronizedDifferentLocksDemo demo2 = new SynchronizedDifferentLocksDemo();
System.out.println("=================== 测试开始 ===================\n");
// 测试1：实例锁 - 不同实例可以并行
System.out.println("测试1：实例锁 - 不同实例的实例锁不互斥");
ExecutorService executor1 = Executors.newFixedThreadPool(2);
executor1.execute(() -> demo1.instanceMethodLock());
executor1.execute(() -> demo2.instanceMethodLock()); // 可以并行
executor1.shutdown();
executor1.awaitTermination(2, TimeUnit.SECONDS);
// 测试2：实例锁 - 同一实例会互斥
System.out.println("\n测试2：实例锁 - 同一实例的实例锁互斥");
ExecutorService executor2 = Executors.newFixedThreadPool(2);
executor2.execute(() -> demo1.instanceMethodLock());
executor2.execute(() -> demo1.instanceBlockLock()); // 会互斥
executor2.shutdown();
executor2.awaitTermination(2, TimeUnit.SECONDS);
// 测试3：不同特定对象锁可以并行
System.out.println("\n测试3：不同特定对象锁可以并行执行");
ExecutorService executor3 = Executors.newFixedThreadPool(3);
executor3.execute(() -> demo1.customObjectLock1());
executor3.execute(() -> demo1.customObjectLock2()); // 可以并行
executor3.execute(() -> demo1.customObjectLock1()); // 会互斥
executor3.shutdown();
executor3.awaitTermination(2, TimeUnit.SECONDS);
// 测试4：静态锁 - 所有实例共享
System.out.println("\n测试4：静态锁 - 所有实例共享同一把锁");
ExecutorService executor4 = Executors.newFixedThreadPool(3);
executor4.execute(() -> staticMethodLock());
executor4.execute(() -> SynchronizedDifferentLocksDemo.staticMethodLock());
executor4.execute(() -> demo1.classLiteralLock()); // 与静态锁互斥
executor4.shutdown();
executor4.awaitTermination(3, TimeUnit.SECONDS);
// 测试5：字符串字面量锁（演示问题）
System.out.println("\n测试5：字符串字面量锁 - 相同字符串会互斥");
ExecutorService executor5 = Executors.newFixedThreadPool(4);
executor5.execute(() -> demo1.stringLiteralLock("001"));
executor5.execute(() -> demo1.stringLiteralLock("002")); // 不同字符串，可以并行
executor5.execute(() -> demo2.stringLiteralLock("001")); // 相同字符串，会互斥！
executor5.execute(() -> demo2.stringLiteralLock("001")); // 会互斥
executor5.shutdown();
executor5.awaitTermination(3, TimeUnit.SECONDS);
// 测试6：参数对象锁
System.out.println("\n测试6：参数对象锁 - 根据参数对象决定");
ExecutorService executor6 = Executors.newFixedThreadPool(4);
Object param1 = new Object();
Object param2 = new Object();
executor6.execute(() -> demo1.parameterObjectLock(param1));
executor6.execute(() -> demo1.parameterObjectLock(param1)); // 相同对象，会互斥
executor6.execute(() -> demo1.parameterObjectLock(param2)); // 不同对象，可以并行
executor6.execute(() -> demo1.parameterObjectLock(new Object())); // 新对象，可以并行
executor6.shutdown();
executor6.awaitTermination(2, TimeUnit.SECONDS);
// 测试7：混合锁场景
System.out.println("\n测试7：混合锁场景 - 展示各种锁的并发关系");
ExecutorService executor7 = Executors.newFixedThreadPool(6);
// 这些方法都可以并行执行，因为锁对象不同
executor7.execute(() -> demo1.instanceMethodLock()); // 锁 this
executor7.execute(() -> demo1.customObjectLock1()); // 锁 customLock1
executor7.execute(() -> demo1.customObjectLock2()); // 锁 customLock2
executor7.execute(() -> staticMethodLock()); // 锁 Class对象
executor7.execute(() -> demo1.stringLiteralLock("003")); // 锁字符串
executor7.execute(() -> demo1.parameterObjectLock(new Object())); // 锁新对象
executor7.shutdown();
executor7.awaitTermination(3, TimeUnit.SECONDS);
System.out.println("\n=================== 测试完成 ===================");
System.out.println("最终实例变量: " + demo1.instanceCounter);
System.out.println("最终静态变量: " + staticCounter);
}
}
synchronized 原理
synchronized 是Java内置的互斥锁，基于 JVM 的 Monitor（管程）机制 实现。对于什么Monitor机制，我们在前面的【Java对象内存布局和Monitor机制】已经介绍过了，下面再给出Monitor类的结构进行回顾下：
// Monitor 内部结构
class ObjectMonitor {
Thread owner; // 持有锁的线程
int count; // 重入次数
WaitSet waitSet; // 等待集合（调用wait()的线程）
EntryList entryList; // 阻塞队列（等待锁的线程）
void enter() { ... } // 获取锁
void exit() { ... } // 释放锁
void wait() { ... } // 等待
void notify() { ... } // 通知
}
接下来主要介绍下在使用synchronized获取同步锁的时候，发生了什么事情。
执行过程中的三个层面
synchronized 执行过程中主要会经过如下三个层面：
synchronized 执行过程：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 字节码层面 (Java 编译器生成) │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ 同步方法：添加 ACC_SYNCHRONIZED 标志 │
│ 同步块：生成 monitorenter/monitorexit 指令 │
│ 异常表：确保异常时释放锁 │
└─────────────────────────────────────────────┬───────────────┘
│ JIT 编译优化
┌─────────────────────────────────────────────▼───────────────┐
│ 运行时层面 (JVM 解释执行/JIT) │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ 解释执行：调用 InterpreterRuntime::monitorenter/exit │
│ JIT编译：根据锁状态生成不同机器码 │
│ 锁优化：锁消除、锁粗化、偏向锁、轻量级锁 │
└─────────────────────────────────────────────┬───────────────┘
│ 硬件执行
┌─────────────────────────────────────────────▼───────────────┐
│ 操作系统层面 (重量级锁) │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ 线程阻塞/唤醒：系统调用 pthread_mutex_lock/unlock │
│ 上下文切换：用户态 ↔ 内核态切换 │
│ 调度延迟：等待队列管理 │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
字节码生成标志
在使用synchronized 时，会在字节码层面进行增强，对于同步方法和同步对象会有不同的表现：
// 源码对比
public class SynchronizedBytecode {
// 方式1：同步方法（隐式锁）
public synchronized void syncMethod() {
System.out.println("synchronized method");
}
// 方式2：同步代码块（显式锁）
public void syncBlock() {
synchronized(this) {
System.out.println("synchronized block");
}
}
}
编译后的字节码：
// 编译命令：javap -v -p SynchronizedBytecode
public class SynchronizedBytecode {
// syncMethod 的字节码 - 方法级同步
public synchronized void syncMethod();
descriptor: ()V
flags: (0x0021) ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED // ← 关键标志
Code:
stack=2, locals=1, args_size=1
0: getstatic #2 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
3: ldc #3 // String "synchronized method"
5: invokevirtual #4 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
8: return
// syncBlock 的字节码 - 代码块级同步
public void syncBlock();
descriptor: ()V
flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
Code:
stack=2, locals=3, args_size=1
0: aload_0 // 加载 this 引用到操作数栈
1: dup // 复制栈顶值（this）
2: astore_1 // 存储到局部变量表 slot 1
3: monitorenter // ← 关键指令：进入监视器
4: getstatic #2 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
7: ldc #5 // String "synchronized block"
9: invokevirtual #4 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
12: aload_1 // 加载锁对象
13: monitorexit // ← 正常退出监视器
14: goto 22 // 跳转到方法结束
17: astore_2 // 异常处理开始：存储异常到 slot 2
18: aload_1 // 加载锁对象
19: monitorexit // ← 异常退出监视器
20: aload_2 // 重新加载异常
21: athrow // 抛出异常
22: return
Exception table: // 异常表
from to target type
4 14 17 any // 监控4-14行，发生异常跳转到17行
17 20 17 any // 监控17-20行，发生异常跳转到17行（重新处理）
}
这里对实例进行同步时会增加monitorenter 和monitorexit 两个指令，相对比较好理解其实就是对monitor对象的获取。对方法级别进行上锁的时候会有点不一样，这里会对方法的访问标志位即acc flags增加一个ACC_SYNCHRONIZED 标志位，方法调用的时候会尝试去获取当前方法对应实例对象的monitor。
这里对实例对象上锁的时候，可以注意到存在两个monitorexit，主要是为了发生异常也能释放锁。
monitor enter&&exit
这里参考 HotSpot JVM 源码给出一个简化版的monitor获取和释放代码，仅供参考：
class InterpreterRuntime {
// monitorenter 的 C++ 实现
static void monitorenter(JavaThread* thread, BasicObjectLock* elem) {
Handle h_obj(thread, elem->obj());
// 尝试快速获取锁
if (UseBiasedLocking) {
// 偏向锁处理
if (BiasedLocking::fast_enter(h_obj, elem, true, thread)) {
return;
}
}
// 慢速路径
slow_enter(h_obj, elem, thread);
}
// monitorexit 的 C++ 实现
static void monitorexit(JavaThread* thread, BasicObjectLock* elem) {
Handle h_obj(thread, elem->obj());
// 尝试快速释放锁
if (UseBiasedLocking) {
if (BiasedLocking::fast_exit(h_obj, elem, thread)) {
return;
}
}
// 慢速路径
slow_exit(h_obj, elem, thread);
}
// 慢速进入锁的流程
static void slow_enter(Handle obj, BasicObjectLock* lock, JavaThread* thread) {
markOop mark = obj->mark();
// 检查是否无锁
if (mark->is_unlocked()) {
// 尝试获取轻量级锁
lock->set_displaced_header(mark);
if (mark == obj()->cas_set_mark(markOopDesc::encode(lock), mark)) {
return; // 轻量级锁获取成功
}
} else if (mark->has_locker() && thread->is_lock_owned((address)mark->locker())) {
// 可重入情况
lock->set_displaced_header(NULL);
return;
}
// 需要膨胀为重量级锁
inflate(thread, obj(), inflate_cause_monitor_enter)->enter(thread);
}
}
可重入
可重入锁是指同一个线程可以多次获取同一把锁，而不会导致死锁。在Java中，synchronized本身就是可重入的，在有些场景下会需要可重入锁，下面简单举例：
场景：递归调用
public class RecursiveDemo {
public synchronized void methodA() {
System.out.println("进入 methodA");
methodB(); // 递归调用，需要重入锁
System.out.println("离开 methodA");
}
public synchronized void methodB() {
System.out.println("进入 methodB");
// 如果没有可重入，这里会死锁！
}
}
场景：继承父类方法
class Parent {
public synchronized void parentMethod() {
System.out.println("父类方法");
}
}
class Child extends Parent {
@Override
public synchronized void parentMethod() {
super.parentMethod(); // 调用父类同步方法
System.out.println("子类方法");
}
}
注意点
-
如果同一个方法内同时有两个或更多线程，则每个线程有自己的局部变量拷贝。
-
类的每个实例都有自己的对象级别锁。当一个线程访问实例对象中的synchronized同步代码块或同步方法时，该线程便获取了该实例的对象级别锁，其他线程这时如果要访问synchronized同步代码块或同步方法，便需要阻塞等待，直到前面的线程从同步代码块或方法中退出，释放掉了该对象级别锁。
-
访问同一个类的不同实例对象中的同步代码块，不存在阻塞等待获取对象锁的问题，因为它们获取的是各自实例的对象级别锁，相互之间没有影响。
-
持有一个对象级别锁不会阻止该线程被交换出来，也不会阻塞其他线程访问同一示例对象中的非synchronized代码。当一个线程A持有一个对象级别锁（即进入了synchronized修饰的代码块或方法中）时，线程也有可能被交换出去，此时线程B有可能获取执行该对象中代码的时间，但它只能执行非同步代码（没有用synchronized修饰），当执行到同步代码时，便会被阻塞，此时可能线程规划器又让A线程运行，A线程继续持有对象级别锁，当A线程退出同步代码时（即释放了对象级别锁），如果B线程此时再运行，便会获得该对象级别锁，从而执行synchronized中的代码。
-
持有对象级别锁的线程会让其他线程阻塞在所有的synchronized代码外。例如，在一个类中有三个synchronized方法a，b，c，当线程A正在执行一个实例对象M中的方法a时，它便获得了该对象级别锁，那么其他的线程在执行同一实例对象（即对象M）中的代码时，便会在所有的synchronized方法处阻塞，即在方法a，b，c处都要被阻塞，等线程A释放掉对象级别锁时，其他的线程才可以去执行方法a，b或者c中的代码，从而获得该对象级别锁。
-
使用synchronized（obj）同步语句块，可以获取指定对象上的对象级别锁。obj为对象的引用，如果获取了obj对象上的对象级别锁，在并发访问obj对象时时，便会在其synchronized代码处阻塞等待，直到获取到该obj对象的对象级别锁。当obj为this时，便是获取当前对象的对象级别锁。
-
类级别锁被特定类的所有示例共享，它用于控制对static成员变量以及static方法的并发访问。具体用法与对象级别锁相似。
-
互斥是实现同步的一种手段，临界区、互斥量和信号量都是主要的互斥实现方式。synchronized关键字经过编译后，会在同步块的前后分别形成monitorenter和monitorexit这两个字节码指令。根据虚拟机规范的要求，在执行monitorenter指令时，首先要尝试获取对象的锁，如果获得了锁，把锁的计数器加1，相应地，在执行monitorexit指令时会将锁计数器减1，当计数器为0时，锁便被释放了。由于synchronized同步块对同一个线程是可重入的，因此一个线程可以多次获得同一个对象的互斥锁，同样，要释放相应次数的该互斥锁，才能最终释放掉该锁。
-
实例锁和类锁不存在冲突，因此可以并行执行。
