java并发编程 —— synchronized与对象头
1 synchronized关键字
使用synchronized关键字有以下三种使用方式：
- 同步代码块
- 同步方法
- 静态同步方法
通过编译的class文件可以看到synchronized代码块使用了monitorenter和monitorexit两个指令分别获取锁标记和释放锁标记，而synchronized方法使用了ACC_SYNCHRONIZED来完成锁的获取与释放的。也就是锁的获取与释放synchronized关键字自动帮我们完成了。
对于使用synchronized关键字实现的同步机制由如下几点补充说明：
如果同一个方法有多个线程访问，那么每个线程都有自己的线程拷贝（拷贝存储在工作内存中）
类锁主要用于控制对static成员变量的并发访问
synchronized块（可以是同步方法或者同步代码块）是可重入的，每次重入会把锁的计数器加1，每次退出将计数器减1，当计数器的值为0的时候，锁便被释放了
Java SE 1.6 为了减少获得锁和释放锁的性能消耗引入了偏向锁和轻量级锁
1.偏向锁
之所以引入偏向锁，是为了让线程获得锁的代价更低。当一个线程访问同步块并获取锁的时候，会在对象的对象头（对象头包括两部分的信息：一部分是”Mark Word“，主要存放的是哈希码、对象的分代年龄、锁的标记等信息；另一部分是对象的类型指针）和栈帧中的锁记录中存储锁偏向的ID，以后该线程在进入方法的同步块的时候，就检查这个ID（可以理解为一种标记，是一种身份的标识），如果测试成功，表明对象已经获得了锁；如果测试失败，继续测试偏向锁的标识是否设置为1（1的话就是偏向锁），如果没有则使用CAS（Compare And Swap）锁。
2.轻量级锁
分为加锁和解锁。当线程执行到同步块之前，JVM会首先检查当前线程的栈帧中创建用于存储记录锁记录的空间，并将对象头中Mark Word复制到锁记录中，也称为Displaced Mark Word，然后线程尝试使用CAS将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针。如果成功，则线程获得锁，否则当前线程尝试使用自旋来获取锁。这就是加锁的过程。
这里多次提到CAS，那么CAS是个什么鬼？CAS是Compare and swap（比较和替换）的简写，具体而言就是：当进行CAS操作的时候，需要输入两个数值，一个是旧值，该旧值是原来的值，另一个是新值，也就是发生改变的值，得到这两个值后，在CAS操作期间会去比较旧值是否发生变化，如果没有发生变化就用新值进行替换，如果发生了变化就不进行替换。
那么解锁的过程又是怎样的呢？就是使用CAS操作将Displaced Mark Word替换回对象头，如果成功，则表示没有竞争发生。如果失败，表示当前锁存在竞争，锁就会膨胀，膨胀的结果是导致锁的升级，并进入阻塞状态。直到需要释放锁的线程释放锁并唤醒其他等待的线程。
notify/notifyAll和wait方法依赖于monitor对象，在前面的分析中，我们知道monitor 存在于对象头的Mark Word 中(存储monitor引用指针)，而synchronized关键字可以获取 monitor ，这也就是为什么notify/notifyAll和wait方法必须在synchronized代码块或者synchronized方法调用的原因
wait方法将会释放当前持有的监视器锁(monitor)，直到有线程调用notify/notifyAll方法后方能继续执行，而sleep方法只让线程休眠并不释放锁。同时notify/notifyAll方法调用后，并不会马上释放监视器锁，而是在相应的synchronized(){}/synchronized方法执行结束后才自动释放锁
2 Java对象保存在内存中时，由以下三部分组成：
1，对象头
2，实例数据
3，对齐填充字节
一，对象头
java的对象头由以下三部分组成：
1，Mark Word
2，指向类的指针
3，数组长度（只有数组对象才有）
1，Mark Word
Mark Word记录了对象和锁有关的信息，当这个对象被synchronized关键字当成同步锁时，围绕这个锁的一系列操作都和Mark Word有关。
Mark Word在32位JVM中的长度是32bit，在64位JVM中长度是64bit。
Mark Word在不同的锁状态下存储的内容不同，在32位JVM中是这么存的：
其中无锁和偏向锁的锁标志位都是01，只是在前面的1bit区分了这是无锁状态还是偏向锁状态。
JDK1.6以后的版本在处理同步锁时存在锁升级的概念，JVM对于同步锁的处理是从偏向锁开始的，随着竞争越来越激烈，处理方式从偏向锁升级到轻量级锁，最终升级到重量级锁。
JVM一般是这样使用锁和Mark Word的：
1，当没有被当成锁时，这就是一个普通的对象，Mark Word记录对象的HashCode，锁标志位是01，是否偏向锁那一位是0。
2，当对象被当做同步锁并有一个线程A抢到了锁时，锁标志位还是01，但是否偏向锁那一位改成1，前23bit记录抢到锁的线程id，表示进入偏向锁状态。
3，当线程A再次试图来获得锁时，JVM发现同步锁对象的标志位是01，是否偏向锁是1，也就是偏向状态，Mark Word中记录的线程id就是线程A自己的id，表示线程A已经获得了这个偏向锁，可以执行同步锁的代码。
4，当线程B试图获得这个锁时，JVM发现同步锁处于偏向状态，但是Mark Word中的线程id记录的不是B，那么线程B会先用CAS操作试图获得锁，这里的获得锁操作是有可能成功的，因为线程A一般不会自动释放偏向锁。如果抢锁成功，就把Mark Word里的线程id改为线程B的id，代表线程B获得了这个偏向锁，可以执行同步锁代码。如果抢锁失败，则继续执行步骤5。
5，偏向锁状态抢锁失败，代表当前锁有一定的竞争，偏向锁将升级为轻量级锁。JVM会在当前线程的线程栈中开辟一块单独的空间，里面保存指向对象锁Mark Word的指针，同时在对象锁Mark Word中保存指向这片空间的指针。上述两个保存操作都是CAS操作，如果保存成功，代表线程抢到了同步锁，就把Mark Word中的锁标志位改成00，可以执行同步锁代码。如果保存失败，表示抢锁失败，竞争太激烈，继续执行步骤6。
6，轻量级锁抢锁失败，JVM会使用自旋锁，自旋锁不是一个锁状态，只是代表不断的重试，尝试抢锁。从JDK1.7开始，自旋锁默认启用，自旋次数由JVM决定。如果抢锁成功则执行同步锁代码，如果失败则继续执行步骤7。
7，自旋锁重试之后如果抢锁依然失败，同步锁会升级至重量级锁，锁标志位改为10。在这个状态下，未抢到锁的线程都会被阻塞。
轻量级锁加锁：线程在执行同步块之前， JVM会先在当前线程的栈桢中创建用于存储锁记录的空间，并将对象头中的Mark Word复制到锁记录中，
官方称为Displaced Mark Word。然后线程尝试使用 CAS 将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针。如果成功，当前线程获得锁，如果失败，
表示其他线程竞争锁，当前线程便尝试使用自旋来获取锁。如果有两条以上的线程争用同一个锁，那轻量级锁就不再有效，要膨胀为重量级锁，锁标志
的状态值变为”10”，Mark Word中存储的就是指向重量级（互斥量）的指针。
轻量级锁解锁：轻量级解锁时，会使用原子的 CAS 操作来将Displaced Mark Word替换回到对象头，如果成功，则表示没有竞争发生。如果失败，
表示当前锁存在竞争，锁就会膨胀成重量级锁。
代码进入同步块时，如果此同步对象没有被锁定（markword锁标志为01），jvm首先在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的MarkWord拷贝（8byte存当前markword值拷贝，8byte存当前对象地址）。
=》如果此同步对象已被锁定（markword锁标志为00/10），则进入锁等待
然后尝试使用CAS将当前锁对象的MarkWord更新为指向Lock Record的指针。如果更新成功，则这个线程就获取了该对象的锁，并且该对象MarkWord的锁标识位（最后2bit）将转变为00，即表示该对象当前处于轻量级锁状态。
若更新操作失败，jvm会先检查该对象MarkWord是否已经是指向当前线程的栈帧，若是则说明已经获取过锁了，就直接进入同步块执行。否则说明当前锁对象已经被其他线程抢占了。
如果有多个线程同时争用同一个锁，此时轻量级锁要膨胀为重量级锁，锁标志位状态值变为10，Mark Word中存储的是指向重量级锁（互斥量）的指针，后面等待锁的线程也要进入阻塞状态。（膨胀为重量级锁后，会生成一个新的锁Lock Record记录。锁对象markword指向新生成的重量级锁Lock Record记录，并把锁标志位置为10。）
轻量级锁的解锁也是通过CAS来做的，将Lock Record存储的之前markword值，CAS更新回锁对象的MarkWord中，更新成功则整个同步块完成；更新失败，则说明有其他线程尝试过获取该锁，那就要在释放锁的同时唤醒被挂起的线程。
=》多线程争用锁时，锁对象markword会变更为指向 新的重量级锁Lock Record地址；=》锁对象markword指向的重量级锁Lock Record地址 和 当前线程栈顶Lock Record地址不一致，说明锁膨胀为重量级锁了，存在多线程竞争。则当前线程释放锁，同时唤醒被挂起的线程。
2，指向类的指针
该指针在32位JVM中的长度是32bit，在64位JVM中长度是64bit。
Java对象的类数据保存在方法区。
3，数组长度
只有数组对象保存了这部分数据。
该数据在32位和64位JVM中长度都是32bit。
二，实例数据
对象的实例数据就是在java代码中能看到的属性和他们的值。
三，对齐填充字节
因为JVM要求java的对象占的内存大小应该是8bit的倍数，所以后面有几个字节用于把对象的大小补齐至8bit的倍数，没有特别的功能。