synchronized是如何保证原子性、可见性、有序性的？

核心概念

并发编程的三大特性是保证线程安全的基础，synchronized 通过 Java 内存模型（JMM） 和 Monitor 机制 同时保证了这三个特性，是 Java 中最强的同步原语。

1. 原子性（Atomicity）

保证机制

通过 互斥锁 保证同一时刻只有一个线程执行临界区代码。

实现原理

monitorenter/monitorexit：底层依赖操作系统的互斥量
Monitor 所有权：同一时刻只有一个线程持有 Monitor
阻塞机制：未获取锁的线程进入 _EntryList 阻塞等待

示例

public class AtomicityDemo {
    private int count = 0;

    // 整个方法作为原子操作
    public synchronized void increment() {
        count++;  // 复合操作：读取 -> 加1 -> 写入
    }
}

关键点：虽然 count++ 本身不是原子操作（包含读、改、写三步），但被 synchronized 保护后，整个方法成为原子操作，不会被其他线程打断。

2. 可见性（Visibility）

保证机制

通过 内存屏障 和 JMM 的 happens-before 规则 保证变量修改对其他线程立即可见。

JMM 规定

根据 Java 内存模型：

加锁时（monitorenter）：
- 清空工作内存中的共享变量副本
- 从主内存重新读取最新值
解锁时（monitorexit）：
- 将工作内存中的修改刷新回主内存
- 保证其他线程能看到最新值
happens-before 规则：
- 对一个锁的解锁 happens-before 后续对这个锁的加锁
- 前一个线程的修改对后一个线程可见

示例

public class VisibilityDemo {
    private boolean flag = false;
    private int number = 0;

    // 线程A
    public synchronized void writer() {
        number = 42;
        flag = true;  // 解锁时刷新到主内存
    }

    // 线程B
    public synchronized void reader() {
        if (flag) {  // 加锁时从主内存读取
            System.out.println(number);  // 一定能看到42
        }
    }
}

关键点：synchronized 解锁前的所有写操作，对后续获取同一个锁的线程可见。

3. 有序性（Ordering）

保证机制

通过 内存屏障 和 as-if-serial 语义 防止指令重排序导致的问题。

实现原理

临界区内部：
- 允许重排序，但遵循 as-if-serial 语义
- 单线程视角下执行结果不变
临界区边界：
- 禁止临界区内的代码重排到临界区外
- 禁止临界区外的代码重排到临界区内
内存屏障：
- LoadLoad 屏障（加锁后）：禁止后续读操作重排到加锁前
- StoreStore 屏障（解锁前）：禁止前面写操作重排到解锁后

示例

public class OrderingDemo {
    private int a = 0;
    private int b = 0;
    private final Object lock = new Object();

    public void method1() {
        a = 1;  // ①
        b = 2;  // ②
        synchronized(lock) {  // ③ monitorenter
            int c = a + b;    // ④ 
        }  // ⑤ monitorexit
    }
}

重排序约束：

① 和 ② 可能重排（临界区外）
④ 不能重排到 ③ 之前（临界区内代码不能重排到加锁前）
③ 之后读取的 a、b 一定是最新值（内存屏障保证）

底层实现总结

字节码 + 内存屏障

monitorenter    // 加锁
LoadLoad屏障    // 禁止后续读操作重排到加锁前
临界区代码
StoreStore屏障  // 禁止前面写操作重排到解锁后
monitorexit     // 解锁（刷新主内存）

Happens-Before 规则

线程A：
  write(x) → unlock(m)
            ↓ happens-before
线程B：
  lock(m) → read(x)

对比 volatile

特性	synchronized	volatile
原子性	✅ 保证复合操作原子性	❌ 仅保证单次读写
可见性	✅ 保证	✅ 保证
有序性	✅ 保证（禁止重排）	✅ 保证（禁止重排）
性能	较重（涉及上下文切换）	较轻（内存屏障）
阻塞	阻塞等待	不阻塞

答题总结

原子性：通过 Monitor 互斥锁，同一时刻只有一个线程执行临界区代码
可见性：
- 加锁时清空本地缓存，从主内存读取最新值
- 解锁时刷新修改到主内存
- 遵循 happens-before 规则
有序性：
- 插入内存屏障禁止指令重排序
- 临界区内外代码不能互相重排
- 内部遵循 as-if-serial 语义

synchronized 是 Java 中最强的同步手段，一次性保证三大特性，但性能开销相对较大，JVM 通过锁优化（偏向锁、轻量级锁）来降低成本。