彻底搞懂Java中的synchronized关键字

synchronized的作用

synchronized 的作用主要有三：
原子性：所谓原子性就是指一个操作或者多个操作，要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。被synchronized修饰的类或对象的所有操作都是原子的，因为在执行操作之前必须先获得类或对象的锁，直到执行完才能释放。
可见性：可见性是指多个线程访问一个资源时，该资源的状态、值信息等对于其他线程都是可见的。synchronized和volatile都具有可见性，其中synchronized对一个类或对象加锁时，一个线程如果要访问该类或对象必须先获得它的锁，而这个锁的状态对于其他任何线程都是可见的，并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到共享内存当中，保证资源变量的可见性。
有序性：有序性值程序执行的顺序按照代码先后执行。 synchronized和volatile都具有有序性，Java允许编译器和处理器对指令进行重排，但是指令重排并不会影响单线程的顺序，它影响的是多线程并发执行的顺序性。synchronized保证了每个时刻都只有一个线程访问同步代码块，也就确定了线程执行同步代码块是分先后顺序的，保证了有序性。

Java对象头与Monitor对象

在JVM中，对象在内存中存储的布局可以分为三个区域，分别是对象头、实例数据以及填充数据。

实例数据 存放类的属性数据信息，包括父类的属性信息，这部分内存按4字节对齐。
填充数据 由于虚拟机要求对象起始地址必须是8字节的整数倍。填充数据不是必须存在的，仅仅是为了字节对齐。
对象头 在HotSpot虚拟机中，对象头又被分为两部分，分别为：Mark Word(标记字段)、Class Pointer(类型指针)。如果是数组，那么还会有数组长度。对象头是本章内容的重点，下边详细讨论。

#对象头

整个对象头由两个部分组成，即：klass pointer和Mark Word
klass pointer一般占32个bit即4个字节
klass pointer的存储内容是一个指针，指向了其类元数据的信息，jvm使用该指针来确定此对象是类的哪个实例.
什么意思？如果你有一个Person实例的引用，那么找到元数据就靠它了，如图：

#Mark Word

当对象被synchronized关键字当成同步锁时，和锁相关的一系列操作都与Mark Word有关。由于在JDK1.6版本中对synchronized进行了锁优化，引入了偏向锁和轻量级锁（关于锁优化后边详情讨论）。Mark Word在不同锁状态下存储的内容有所不同。我们以32位JVM中对象头的存储内容如下图所示。
从图中可以清楚的看到，Mark Word中有2bit的数据用来标记锁的状态。
无锁状态和偏向锁标记位为01，轻量级锁的状态为00，重量级锁的状态为10。

当对象为偏向锁时，Mark Word存储了偏向线程的ID；
当状态为轻量级锁时，Mark Word存储了指向线程栈中Lock Record的指针；
当状态为重量级锁时，Mark Word存储了指向堆中的Monitor对象的指针。

当前我们只讨论重量级锁，因为重量级锁相当于对synchronized优化之前的状态。关于偏向锁和轻量级锁在后边锁优化章节中详细讲解。
可以看到，当为重量级锁时，对象头的MarkWord中存储了指向Monitor对象的指针。那么Monitor又是什么呢？

#Monitor对象

Monitor 结构如下

1.刚开始 Monitor 中 Owner 为 null
2.当 Thread-2 执行 synchronized(obj) 就会将 Monitor 的所有者 Owner 置为 Thread-2，Monitor中只能有一个Owner
3.在 Thread-2 上锁的过程中，如果 Thread-3，Thread-4，Thread-5 也来执行 synchronized(obj)，就会进入EntryList BLOCKED
4.Thread-2 执行完同步代码块的内容，然后唤醒 EntryList 中等待的线程来竞争锁，竞争的时是非公平的
5.图中 WaitSet 中的 Thread-0，Thread-1 是之前获得过锁，但条件不满足进入 WAITING 状态的线程
6.Owner 线程发现条件不满足，调用 wait 方法，即可进入 WaitSet 变为 WAITING 状态
7.BLOCKED 和 WAITING 的线程都处于阻塞状态，不占用 CPU 时间片
8.BLOCKED 线程会在 Owner 线程释放锁时唤醒
9.WAITING 线程会在 Owner 线程调用 notify 或 notifyAll 时唤醒，但唤醒后并不意味者立刻获得锁，仍需进入
10.EntryList 重新竞争

synchronized优化

从JDK5引入了现代操作系统新增加的CAS原子操作（ JDK5中并没有对synchronized关键字做优化，而是体现在J.U.C中，所以在该版本concurrent包有更好的性能 ），从JDK6开始，就对synchronized的实现机制进行了较大调整，包括使用JDK5引进的CAS自旋之外，还增加了自适应的CAS自旋、锁消除、锁粗化、偏向锁、轻量级锁这些优化策略。由于此关键字的优化使得性能极大提高，同时语义清晰、操作简单、无需手动关闭，所以推荐在允许的情况下尽量使用此关键字，同时在性能上此关键字还有优化的空间。

锁主要存在四种状态，依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态、重量级锁状态，锁可以从偏向锁升级到轻量级锁，再升级的重量级锁。但是锁的升级是单向的，也就是说只能从低到高升级，不会出现锁的降级。

1、偏向锁
偏向锁是JDK6中的重要引进，因为HotSpot作者经过研究实践发现，在大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，为了让线程获得锁的代价更低，引进了偏向锁。

当一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程ID，以后该线程在进入和退出同步块时不需要进行CAS操作来加锁和解锁，只需简单地测试一下对象头的Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。

如果测试成功，表示线程已经获得了锁。如果测试失败，则需要再测试一下Mark Word中偏向锁的标识是否设置成1（表示当前是偏向锁）：如果没有设置，则使用CAS竞争锁；如果设置了，则尝试使用CAS将对象头的偏向锁指向当前线程。

偏向锁使用了一种等到竞争出现才释放锁的机制，所以当其他线程尝试竞争偏向锁时， 持有偏向锁的线程才会释放锁。

偏向锁的撤销，需要等待全局安全点（在这个时间点上没有正在执行的字节码）。它会首先暂停拥有偏向锁的线程，然后检查持有偏向锁的线程是否活着， 如果线程不处于活动状态，则将对象头设置成无锁状态；如果线程仍然活着，拥有偏向锁的栈会被执行，遍历偏向对象的锁记录，栈中的锁记录和对象头的Mark Word要么重新偏向于其他线程，要么恢复到无锁或者标记对象不适合作为偏向锁，最后唤醒暂停的线程。
2.轻量级锁
轻量级锁的使用场景：如果一个对象虽然有多线程要加锁，但加锁的时间是错开的（也就是没有竞争），那么可以使用轻量级锁来优化。
轻量级锁优化性能的依据是对于大部分的锁，在整个同步生命周期内都不存在竞争。 当升级为轻量级锁之后，MarkWord的结构也会随之变为轻量级锁结构。JVM会利用CAS尝试把对象原本的Mark Word 更新为Lock Record的指针，成功就说明加锁成功，改变锁标志位为00，然后执行相关同步操作。
轻量级锁所适应的场景是线程交替执行同步块的场合，如果存在同一时间访问同一锁的场合，就会导致轻量级锁就会失效，进而膨胀为重量级锁。

3.锁膨胀
如果在尝试加轻量级锁的过程中，CAS 操作无法成功，这时一种情况就是有其它线程为此对象加上了轻量级锁（有竞争），这时需要进行锁膨胀，将轻量级锁变为重量级锁。

当 Thread-1 进行轻量级加锁时，Thread-0 已经对该对象加了轻量级锁 这时 Thread-1 加轻量级锁失败，进入锁膨胀流程
即为 Object 对象申请 Monitor 锁，让 Object 指向重量级锁地址.然后自己进入 Monitor 的 EntryList
BLOCKED
当 Thread-0 退出同步块解锁时，使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象头，失败。这时会进入重量级解锁
流程，即按照 Monitor 地址找到 Monitor 对象，设置 Owner 为 null，唤醒 EntryList 中 BLOCKED 线程

4.自旋优化
重量级锁竞争的时候，还可以使用自旋来进行优化，如果当前线程自旋成功（即这时候持锁线程已经退出了同步块，释放了锁），这时当前线程就可以避免阻塞。

自旋会占用 CPU 时间，单核 CPU 自旋就是浪费，多核 CPU 自旋才能发挥优势。 在 Java 6
之后自旋锁是自适应的，比如对象刚刚的一次自旋操作成功过，那么认为这次自旋成功的可能性会高，就多自旋几次；反之，就少自旋甚至不自旋，总之，比较智能。Java7 之后不能控制是否开启自旋功能

锁粗化

试想有一个循环，循环里面是一些敏感操作，有的人就在循环里面写上了synchronized关键字。这样确实没错不过效率也许会很低，因为其频繁地拿锁释放锁。要知道锁的取得（假如只考虑重量级MutexLock）是需要操作系统调用的，从用户态进入内核态，开销很大(阿里面试)。于是针对这种情况也许虚拟机发现了之后会适当扩大加锁的范围（所以叫锁粗化）以避免频繁的拿锁释放锁的过程。