Java 线程安全与通信详解：synchronized、volatile 及 wait/notify

线程不安全的成因分析

当多个线程并行执行且共享变量时，若操作包含写行为或条件判断，极易引发安全问题。这主要源于以下三个维度：

• 原子性破坏：看似单行的操作如 n++ 或对象初始化，在底层涉及多步执行（读取、修改、写入），非单一完整过程，易被中断造成数据错乱。
• 可见性缺失：各线程拥有独立的工作内存，对共享变量的本地修改若不即时刷新至主存，其他线程将读取到过期脏数据。
• 代码重排序：JVM 与 CPU 为提升效率会在保证逻辑不变前提下调整指令顺序，导致线程执行的预期步骤与实际发生顺序不符。

Java 内存模型（JMM）旨在屏蔽底层硬件差异，规范内存读写行为。主内存存储共享变量，而每个线程通过工作内存进行交互。读取时先拷贝至工作内存，修改后再同步回主存。

解决策略：synchronized 与 volatile

设计原则应在满足安全的前提下追求高效。针对上述隐患，synchronized 提供了重量级的阻塞锁方案，而 volatile 则是轻量级的信号修饰符。

1. synchronized 关键字的特性

synchronized 作用于对象头，用于获取对象锁以实现同步。其使用分为修饰实例方法与静态方法：

// 修饰普通方法，锁定当前实例对象 this
public class TestDemo {
    public synchronized void method() {
    }
}
// 修饰静态方法，锁定类对象
public class TestDemo {
    public static void method() {
        synchronized(TestDemo.class){
        }
    }
}

该机制具备四大核心特性：互斥性确保同一时刻仅一个线程持有锁；可见性在释放锁时将工作内存变量强制刷入主存；有序性保护临界区逻辑不被外部干扰；以及可重入性，允许同一线程多次获取自身已持有的锁，防止死锁。

2. volatile 关键字的限制

volatile 专用于修饰变量，其作用在于保障数据的可见性（修改后立即刷新）和禁止重排序（插入内存屏障）。但它绝不保证原子性。因此，它适用于常量赋值或独立的读/写操作，若需复合操作（如自增），仍应回归 synchronized 或 Lock。

线程间的通信机制

线程并非孤立存在，通过等待与通知机制可实现资源的有序流转。这种协作依赖于 Object 基类的方法。

1. wait 与 notify 的配合

wait() 方法使当前线程进入阻塞状态并放弃锁，直到被唤醒或超时：

Object object = new Object();
synchronized (object) {
    // 线程在此暂停并释放 object 锁
    object.wait();
}

notify() 随机唤醒单个等待线程，而 notifyAll() 唤醒所有。需注意，notify 执行后当前线程不会立即释放锁，须跳出同步块后才生效。即便 notifyAll 唤醒了全部，线程仍需竞争锁方能继续执行。

2. wait 与 sleep 的本质区别

虽然两者均暂停当前执行流，但 wait 属于 Object 方法，必须在同步块内调用，且主动释放锁以配合通信；而 sleep 是 Thread 的静态方法，无需依赖同步环境，且在休眠期间依旧占有锁资源，通常用于延时而非跨线程协调。

进程与线程的权衡

相较于进程，线程是更细粒度的执行单元。进程的创建开销大且拥有独立内存空间，而线程不仅创建迅速、切换成本低，更能共享所属进程的资源（如文件句柄、内存页），从而实现高效的 I/O 重叠与多核计算利用。

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