Synchronized全面介绍
Synchronized
并发编程的三个重要特性：
- 原子性：一个操作或者多次操作，要么所有操作全部得到执行，并且不会受到任何因素的干扰而中断，要么所有的操作都执行，要么都不执行。
- 可见性：当一个线程对共享变量进行修改，另外的线程可以立即得到修改后的最新的值。
- 有序性：程序在多线程下，程序中代码执行的顺序是代码的先后执行的。程序代码不会因为指令重排序（程序为了优化执行效率从而打乱了代码的执行顺序）而打乱，从而导致程序产生不同的结果。
synchronized可以保证原子性，有序性和可见性
另一个关键字volatile可以保证有序性和可见性不能保证原子性
Synchronized执行原理
synchronized能保证同一时刻最多只有一个线程执行该段代码，以达到保证并发安全的效果。
synchronized底层是如何实现的呢？
将带有synchronized的代码段进行反编译，会发现synchronized关键字编译为字节码变为了两条指令，分别是monitorenter和monitorexit。
其实真正的锁对象是monitor对象。monitor是由JVM创建的一个C++对象。
montor对象这里可以理解为一种同步工具，或同步机制，被描述为一个对象。由JVM生成。在hotSpot虚拟机中，monitor是由ObjectMonitor实现的。
ObjectMonitor主要定义如下：
ObjectMonitor() {
_header = NULL;
_count = 0;
_waiters = 0，
_recursions = 0; // 线程的重入次数
_object = NULL; // 存储该monitor的对象
_owner = NULL; // 标识拥有该monitor的线程
_WaitSet = NULL; // 处于wait状态的线程，会被加入到
_WaitSetLock = 0 ;
_Responsible = NULL;
_succ = NULL;
_cxq = NULL; // 多线程竞争锁时的单向列表
FreeNext = NULL;
_EntryList = NULL; // 处于等待锁block状态的线程，会被加入到该列表
_SpinFreq = 0;
_SpinClock = 0;
OwnerIsThread = 0;
}
monitor并不是随着对象的创建而创建，我们是通过synchronized修饰符告诉JVM需要我们为某个对象创建相关联的monitor对象。
每个线程都存在两个ObjectMonitor对象列表，分别为free和used列表，同时JVM中为维护着global locklist。当线程需要ObjectMonitor对象时，首先从线程自身的free表中申请，如果没有空闲的，就从global list中申请。
monitor对象内部有两个重要的成员变量：
owner：拥有这把锁的线程
recursions：记录线程拥有锁的次数
monitorenter
每个对象都与一个监视器monitor相关联，当且仅当拥有所有者时，即被拥有时，monitor就会被锁定。其他线程无法来获取该monitor。
当JVM执行到monitorenter时，会尝试获取获得当前对象对应的monitor的所有权，过程如下：
- 若此时monitor的进入数为0，线程可以进入monitor，并将moitor的进入数置为1。此时当前线程作为monitor的所有者。
- 若当前线程已经拥有monitor的所有权，允许重入monitor，则进入monitor的进入数+1.（可重入也是synchronized锁的一个特性。可重入特性即一个线程可以重复获得同一把锁）
- 如果其他线程已经占有了monitor的所有权，当前尝试获得monitor的所有权的线程会阻塞。知道monitor的进入数为0，才能重新尝试获得monitor的所有权。
monitorexit：
- 能执行monitorexit指令的线程一定是拥有当前对象的monitor的所有权的线程
- 执行monitorexit会将monitor的进入数-1，当monitor的进入数为0时，线程退出了monitor，此时其他被这个monitor阻塞的线程可以尝试获得这个monitor的所有权。
monitor会出现在方法结束和异常处，这样做的目的是保障出现异常的时候也能保证锁被释放。JVM保障每个monitor都有对应的monitorexit。
状态转变：
Object中除了拥有者和重入次数之外，还有几个重要的变量。
其中：
_waitSet 中存储了wait状态下的线程
_cxq：竞争队列
_EntryLis 中存储了处于阻塞状态的线程
状态转换图如下所示：
_owner：初始时为NULL。当有线程占有该monitor时，owner标记为该线程的唯一标识。当线程释放monitor时，owner又恢复为NULL。owner是一个临界资源，JVM是通过CAS操作来保证其线 程安全的。
_cxq：竞争队列，所有请求锁的线程首先会被放在这个队列中（单向链接）。_cxq是一个临界资源，JVM通过CAS原子指令来修改_cxq队列。修改前_cxq的旧值填入了node的next字段，_cxq指 向新值（新线程）。因此_cxq是一个后进先出的stack（栈）。
_EntryList：_cxq队列中有资格成为候选资源的线程会被移动到该队列中。
_WaitSet：因为调用wait方法而被阻塞的线程会被放在该队列中。
synchronized 修饰方法
这里需要补充一点，synchronized修饰方法的时候，字节码中并不是使用monitorenter和monitorexit来实现的，而是在方法中添加了ACC_SYNCHRONIZED修饰，会隐式的调用monitorenter和 monitorexit。在执行同步方法前会调用monitorenter，在执行完同步方法后会调用monitorexit
对象与monitor关联
对象如何跟monitor关联的呢？与对象相关的monitor信息存储在哪里？
这就要从对象在内存的布局讲起，
在HotSpot虚拟机中,对象在内存中存储的布局可以分为3块区域：对象头（Header），实例数据（Instance Data）和对象填充（Padding）。
对象头：主要分为两部分，MarkWord，和klass pointor：
Mark Word存储自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、 线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等等，占用内存大小与虚拟机位长一致。在64位虚拟机下，Mark Word是64bit大小的，其存储结构如下：
klass pointer：这一部分用于存储对象的类型指针，该指针指向它的类元数据，JVM通过这个指针确定对象是哪个类的实例。该指针的位长度为JVM的一个字大小，即32位的JVM为32位，64位的JVM为64位。
实例数据：对象真正存储的信息，存放类的属性数据信息，包括父类的属性信息
对齐填充：由于虚拟机的要求，对象的起始地址必须是8的字节的整数倍。如果不满足这个要求，可能会需要对齐填充部分。
重量级锁
为什么说synchronized是重量级锁呢？究其原因，还是因为monitor是重量级锁。在ObjectMonitor的函数调用中会涉及到Atomic::cmpxchg_ptr，Atomic::inc_ptr等内核函数， 执行同步代码块，没有竞争到锁的对象会park()被挂起，竞争到锁的线程会unpark()唤醒。这个时候就 会存在操作系统用户态和内核态的转换，这种切换会消耗大量的系统资源。所以synchronized是Java语 言中是一个重量级(Heavyweight)的操作。
主要是内核态和用户态之间的切换带来了大量的系统资源的消耗，这就是在synchronized未优化之前，效率低下的原因。
总结：
synchronized是java中的一个重量级锁，他依赖的是monitor对象，通过monitorenter和monitorexit两条指令完成对共享代码块的保护。对象的monitor信息存储在对象头的Mark Word中，Mark Word的长度和虚拟机上位长相等。synchronized是重量级锁是因为在加锁和解锁的过程中调用了很多内核态的功能，需要不断的进行内核态和用户态的切换，造成性能较差。
synchronized的特性：
-
不可打断性
一个线程获得锁后，另一个线程想要获得锁，必须处于阻塞或等待状态，如果第一个线程不释放锁，第二个线程会一直等待，不可被中断 -
可重入性
一个线程可以多次执行synchronized,重复获取同一把锁。
synchronized的锁对象中有一个计数器（recursions变量）会记录线程获得几次锁.
可重入的好处：
* 可以避免死锁
* 可以更好的封装代码
参考链接：
[1] https://www.cnblogs.com/xuxinstyle/p/13387851.html
[2] 黑马程序员面试视频笔记