synchronized 与 volatile：Java 并发基础关键字原理

synchronized 和 volatile 是 Java 并发里最基础、也最容易误用的两个关键字。

一句话区分：synchronized 解决互斥和可见性，volatile 主要解决可见性和有序性。

synchronized 能做什么

synchronized 可以修饰方法，也可以修饰代码块。

它能保证：

• 原子性：同一时刻只有一个线程执行同步代码。
• 可见性：释放锁前刷新共享变量，加锁后重新读取共享变量。
• 有序性：锁保护范围内的执行结果不会被重排序破坏。

示例：

public synchronized void add() {
    count++;
}

public void add2() {
    synchronized (this) {
        count++;
    }
}

同步方法锁住的是当前实例对象；静态同步方法锁住的是 Class 对象。

synchronized 如何保证可见性

JMM 对锁有明确约束：

1. 线程解锁前，必须把本地内存中的共享变量刷新到主内存。
2. 线程加锁时，会清空本地内存中的共享变量副本，重新从主内存读取。

所以 synchronized 不只是“排队执行”，它还建立了线程之间的可见性关系。

monitorenter 和 monitorexit

同步代码块在字节码层面主要依赖两个指令：

• monitorenter
• monitorexit

进入同步代码块时执行 monitorenter 获取 Monitor；退出同步代码块时执行 monitorexit 释放 Monitor。

编译器通常会生成额外的 monitorexit，用于异常情况下释放锁。可以理解为同步块隐含了类似 try-finally 的保护，避免异常导致锁无法释放。

什么是 Monitor

每个 Java 对象都可以作为锁，是因为对象可以和 Monitor 关联。

线程尝试进入同步代码块时，需要获取对象关联的 Monitor。如果 Monitor 已经被其他线程持有，当前线程就会阻塞。

Monitor 负责管理：

• 哪个线程持有锁。
• 锁的重入次数。
• 哪些线程在等待锁。
• 哪些线程在等待通知。

这也是为什么 wait()、notify()、notifyAll() 必须在同步代码块中使用，因为它们依赖对象 Monitor。

锁升级

早期 synchronized 被认为是重量级锁，因为它可能涉及操作系统互斥量和线程阻塞唤醒，成本较高。

JDK 1.6 之后，JVM 对 synchronized 做了大量优化，锁状态大致包括：

无锁 -> 偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁

不同状态适合不同竞争程度。

锁状态	适用场景
无锁	没有同步竞争
偏向锁	只有一个线程反复进入同步块
轻量级锁	多个线程交替竞争，但竞争不激烈
重量级锁	竞争激烈，需要阻塞和唤醒线程

锁升级的目标是：在低竞争场景下减少系统调用和线程阻塞。

volatile 能做什么

volatile 主要保证两件事：

• 可见性：一个线程修改后，其他线程能读到最新值。
• 有序性：禁止特定指令重排序。

示例：

private volatile boolean running = true;

public void stop() {
    running = false;
}

这种停止标记是 volatile 的典型适用场景。

volatile 的实现基础：内存屏障

volatile 的底层依赖内存屏障。

内存屏障可以理解为一种约束，告诉编译器和处理器：屏障前后的某些读写操作不能随意重排序，并且要按规定刷新或读取内存。

JMM 对 volatile 的重排序限制可以简化理解为：

• volatile 写之前的普通写，不能被重排序到 volatile 写之后。
• volatile 读之后的普通读写，不能被重排序到 volatile 读之前。
• 对同一个 volatile 变量的写和读之间建立 happens-before 关系。

volatile 的缺陷：不保证原子性

volatile 不能保护复合操作。

volatile int count = 0;

public void add() {
    count++;
}

count++ 包含读取、加一、写回。volatile 可以让每次读写尽量看到最新值，但不能阻止两个线程同时读到同一个旧值。

解决方式可以是：

• synchronized。
• ReentrantLock。
• AtomicInteger。

synchronized 和 volatile 对比

对比项	synchronized	volatile
原子性	支持	不支持复合操作原子性
可见性	支持	支持
有序性	支持	支持特定重排序限制
是否阻塞线程	可能阻塞	不阻塞
使用场景	临界区、复合操作、状态保护	状态标记、配置开关、单写多读变量

如果一个变量的更新依赖当前值，例如递增、扣库存、累加金额，不能只用 volatile。

使用建议

可以按这个思路选择：

• 只需要让其他线程看到最新状态，用 volatile。
• 需要保护一段临界区，用 synchronized 或 Lock。
• 需要高性能数值更新，用原子类或 LongAdder。
• 需要等待、通知、可中断、超时、公平锁，用 JUC 锁。

小结

synchronized 和 volatile 都和 JMM 有关，但解决的问题不同。

synchronized 是完整的同步机制，既管互斥，也管可见性；volatile 是轻量级可见性工具，适合状态标记，但不适合复合更新。

真正写并发代码时，先判断问题是原子性、可见性还是有序性，再选择工具。