在上一篇中我们提到，一个或者多个操作在CPU 执行过程中不被中断的特性，称为“原子性”。 理解这个特性有助于你分析并发编程Bug 出现的原因， 例如可以利用它分析出long 型变量在 32 位机器上读写可能出现的诡异 Bug， 明明已经把变量成功写入了内存，重新读出来却不是自己写入的。
那原子性问题到底该如何解决呢？
你已经知道，原子性问题的源头是线程切换，如果能够禁用线程切换不是就能够解决这个问题了嘛?而操作系统做线程切换是依赖CPU 中断的，所以禁止CPU 中断就能够禁止线程切换。
在早期单核CPU 时代，这个 方案的却是可行的，而且 有很多应用案例，但是并不适合多核场景。这里我们以 32 位 CPU 上执行 long 型变量的写操作为例来说明这个问题，long 型变量是 64 位，在 32 位 CPU 上执行写操作会被拆分成两次写操作（写高 32 位和写低 32 位，如下图所示）。
在单核CPU 场景下，同一时刻只有一个线程执行，禁止CPU 中断，意味着操作系统不会重新调度线程，也就是禁止了线程切换，也就是CPU 使用权的线程可以不间断的执行，所以两次写操作一定是：要么被执行，要么都没有被执行，具有原子性。
但是在多核场景下，同一时刻，有可能有两个线程在同时执行，一个线程执行在CPU-1 上，一个线程执行在CPU-2 上， 此时禁止CPU 中断， 只须保证CPU 上的线程连续执行， 并不能保证同一时刻只有一个线程执行，如果这两个线程同时写long 型变量高 32 位的话，那就有可能出现我们开头提及的诡异 Bug 了。
“同一时刻只有一个线程执行” 这个条件非常重要，我们称之为互斥，如果我们能保证对共享变量的修改是互斥的，那么，无论是单核CPU 还是多核CPU ，就能保证原子性了。
简易锁模型
当谈到互斥，相信聪明的你一定想到了那个杀手级解决方案：锁，同时大脑中还会出现以下模型：
我们把一段需要互斥执行的代码称为临界区。线程在进入临界区前，首先尝试加锁如果成功，则进入临界区，此时我们称为这个线程持有锁；否则就等待，直到持有锁的线程解锁，持有锁的线程执行完临界区代码后，执行解锁unlock()。
这个 过程非常像办公室高峰抢占坑位，每个人都是进坑锁门（加锁），出坑开门（解锁），如厕这个事就是临界区。很长时间里 我也事这么理解的，这样理解本身没有问题，但却很容易让我们忽视两个非常重要的点，我们的锁是什么？我们保护的又是什么？
改进后的模型
我们知道在现实世界里，锁和锁要保护的资源是有对应关系的，比如你用你家的锁保护你家的东西，我用我家的锁保护我家的东西。在并发世界里，锁和资源也应该有这个对应关系，但这个对应关系在我们上面的模型中是没有体现的，所以我们需要完善一下我们的模型。
首先，我们把临界区要保护的资源标注出来，如图中临界区里增加了一个元素：受保护的资源R,其次，我们要保护资源R就得为它创建一把锁LR;最后针对这把锁LR， 我们还得在进出临界区时添上加锁操作和解锁操作。另外，在锁LR 和 受保护资源之间，我特地用了一条线做了关联，这个关联关系非常重要。很多并发Bug 的出现，都是因为把它忽略了。然后就出现了锁自家门来保护别家财产的事情，这样的Bug 非常不好诊断，因为潜意识里，我们已经认为已经正确加锁了。
Java 语言提供的锁技术：synchronized
锁是一种通用的技术方案，Java 语言里提供的synchronized 关键字，就是锁的一种实现。synchronized 关键字可以用来修饰方法，也可以用来修饰代码块，它的使用示例基本都是以下这个样子:
class X {
// 修饰非静态方法
synchronized void foo() {
// 临界区
}
// 修饰静态方法
synchronized static void bar() {
// 临界区
}
// 修饰代码块
Object obj = new Object()；
void baz() {
synchronized(obj) {
// 临界区
}
}
}
看完之后 你可能觉得有点奇怪，这个 和我们上面提到的模型有点对不上啊，加锁lock() 和解锁 unlock() 在哪里呢？ 其实这两个操作都是有的，只是这两个操作是被Java 默默加上去的。Java 编译器会在 synchronized 修饰的方法或代码块前后自动加上加锁 lock() 和解锁 unlock()，这样做的好处就是加锁 lock() 和解锁 unlock() 一定是成对出现的， 毕竟忘记解锁unlock() 可是个致命的 Bug（意味着其他线程只能死等下去了）。
那 synchronized 里的加锁 lock() 和解锁 unlock() 锁定的对象在哪里呢？ 上面的代码我们看到只有修饰代码块的时候锁定了一个 obj 对象， 那修饰方法的时候锁定的是什么呢？这个也是Java 的一条隐式规则:
当修饰静态方法的时候，锁定的是当前类的Class 对象，在上面的例子中就是Class X；
当修饰非静态方法时，锁定的是当前示例对象this 。
对于上面的例子，synchronized 修饰静态方法相当于：
class X {
// 修饰静态方法
synchronized(X.class) static void bar() {
// 临界区
}
}
修饰非静态方法，相当于：
class X {
// 修饰非静态方法
synchronized(this) void foo() {
// 临界区
}
}
用 synchronized 解决 count+=1 问题
相信你一定记得我们前面文章中提到的count+=1 存在并发的问题，现在我们可以尝试用synchronized 来小试牛刀一把，代码如下所示。SafeCalc 这个类有两个方法，一个是get() 方法，用来获得 value 的值； 另一个是 addOne() 方法，用来给 value 加 1， 并且 addOne() 方法我们用 synchronized 修饰。 那么我们使用的这两两个方法有没有并发问题呢？
class SafeCalc {
long value = 0L;
long get() {
return value;
}
synchronized void addOne() {
value += 1;
}
}
我们先来看看 addOne() 方法，首先可以肯定，被 synchronized 修饰后，无论是单核 CPU 还是多核 CPU，只有一个线程能够执行 addOne() 方法，所以一定能保证原子操作， 那是否有可见性问题呢？要回答这问题，就要重温一下上一篇文章中提到的管程中锁的规则。
管程中锁的规则：对一个锁的解锁Happens-Before 于后续对这个锁的加锁。
管程就是我们这里的 synchronized（至于为什么叫管程，我们后面介绍），我们知道 synchronized 修饰的临界区是互斥的，也就是说同一时刻只有一个线程执行临界区的代码；而所谓“对一个锁解锁 Happens-Before 后续对这个锁的加锁”，指的是前一个线程的解锁操作对后一个线程的加锁操作可见，综合 Happens-Before 的传递性原则，我们就能得出前一个线程在临界区修改的共享变量（该操作在解锁之前），对后续进入临界区（该操作在加锁之后）的线程是可见的。
按照 这个规则，如果多个线程执行addOne() 方法， 可见性是可以保证的，也就是说如果有1000 个线程执行addOne() 方法， 最终结果一定是value 值增加了1000，看到这个结果，问题终于解决了。
但也许，你一不小心就忽视了get() 方法。 执行 addOne() 方法后，value 的值对 get() 方法是可见的吗？这个可见性是没法保证的。 管程中锁的规则就是，只保证后续对这个锁的加锁的可见性，而 get() 方法并没有加锁操作， 所以可见性没法保证。那如何解决呢？很简单，就是get() 方法也 synchronized 一下，完整的代码如下所示。
class SafeCalc {
long value = 0L;
synchronized long get() {
return value;
}
synchronized void addOne() {
value += 1;
}
}
上面的代码转换为我们提到的锁模型，就是下面图示的样子，get() 方法和 addOne() 方法都需要访问 value 这个受保护的资源，这个资源用 this 这把锁来保护。线程要进入临界区 get() 和 addOne()，必须先获得 this 这把锁，这样 get() 和 addOne() 也是互斥的。
这个模型更像是现实世界里的球赛门票的管理，一个作为只允许一个人使用，这个座位就是“受保护的资源”，球赛的入口就是Java 类里的方法，而门票就是用来保护资源的“锁”， Java 里的检票工作是由synchronized 解决的。
锁和受保护资源的关系
我们前面提到，受保护的资源和锁之间的关联关系非常重要，他们的关系是怎么样的呢？一个合理的关系是:受保护资源和锁之间的关联关系是 N:1 的关系。 还拿前面球赛门票的管理来类比，就是一个座位，我们只能用一张票来保护，如果多发了重复的票，那就要打架了。现实世界里，我们可以用多把锁来保护同一个资源，但在并发领域是不行的，并发领域的锁和现实世界的锁不是完全匹配的。不过倒是可以用同一把锁来保护多个资源，这个对应到现实世界就是我们所谓的“包场”了。
上面的那个例子我稍作改动，把value 改成静态变量，把 addOne() 方法改成静态方法，此时 get() 方法和 addOne() 方法是否存在并发问题呢？
如果你仔细观察，就会发现改动后的代码是用两个锁保护一个资源。这个受保护的资源就是静态变量 value，两个锁分别是 this 和 SafeCalc.class。我们可以用下面这幅图来形象描述这个关系。由于临界区 get() 和 addOne() 是用两个锁保护的，因此这两个临界区没有互斥关系，临界区 addOne() 对 value 的修改对临界区 get() 也没有可见性保证，这就导致并发问题了。
总结
互斥锁，在并发领域知名度很高，只要有了并发问题，大家很容易想到的就是加锁，加锁能够保证执行临界区代码的互斥性，这样理解虽然正确但是却不能知道你真正用好互斥锁，临界区的代码是操作受保护资源的路径，类似于球场的入口，入口一定要检票，也就是要加锁，但不是随便一把锁就有效，必须深入分析受保护对象跟受保护资源的关系，综合考虑受保护资源的访问路径，多方面考量才能用好互斥锁。
synchronized 是 Java 在语言层面提供的互斥原语，其实 Java 里面还有很多其他类型的锁，但作为互斥锁，原理都是相通的：锁，一定有一个要锁定的对象，至于这个锁定的对象要保护的资源以及在哪里加锁 / 解锁，就属于设计层面的事情了。