synchronized 关键字
Synchronized 是 Java 中的一种锁的方式，是在 JVM 层面一种锁。在 jdk 1.6以前是一种重量级锁，在经历过优化后 Synchronized 锁已经没有那么“重”了。
Synchronized 有 3 种使用方式：
- 普通同步方法，锁是当前实例对象
- 静态同步方法，锁是当前类的Class对象
- 同步代码块，锁是Synchonized括号里配置的对象
private static int i;
//1. 修饰同步方法
public synchronized void add() {
i++;
}
//2. 修饰同步静态方法
public static synchronized void addStatic() {
i++;
}
//3. 修饰同步代码块，此处锁的方式和 1 加锁方式相同
public void addCodePieceInstance() {
synchronized (this) {
i++;
}
}
//4. 修饰同步代码块，此处锁的方式和 2 加锁方式相同
public void addCodePiece() {
synchronized (SynDemo.class) {
i++;
}
}
//5. 锁定同步代码块
public void addSyncCode(){
synchronized (obj) {
}
}当一个线程试图访问同步代码块时，首先必须获得锁，那么这个锁的位置到底在哪呢？锁到底包含了那些信息？
要想弄清楚上面两个问题，需要引入一个对象头的概念。
1. java 对象头
首先看下Java 的对象结构，如图 1：
Java 对象分为 3 个部分，对象头，实例数据和对齐空间。我们重点关注的对象头，其他的两项对于我们 synchronized 没有影响。
synchronized 用的锁是存在 Java 对象头里的。如果对象是数组类型，则虚拟机用 3 个字宽（Word）存储对象头，如果对象是非数组类型，则用2字宽存储对象头。在32位虚拟机中，1字宽等于 4 字节，即32bit。
虚拟机位数 | 头对象结构 | 说明 |
|---|---|---|
32/64bit | Mark Word | 存储对象的hashCode、锁信息或分代年龄或GC标志等信息 |
32/64bit | Class Metadata Address | 类型指针指向对象的类元数据，JVM通过这个指针确定该对象是哪个类的实例。 |
32/32bit | ArrayLength | 这个标记一般没有，除非锁定的对象是数组，这个表示是数组的长度 |
其中 Mark Word 在默认情况下存储着对象的 HashCode、分代年龄、锁标记位等以下是32位 JVM 的 Mark Word 默认存储结构
锁状态 | 25bit | 4bit | 1bit是否是偏向锁 | 2bit 锁标志位 |
|---|---|---|---|---|
无锁状态 | 对象HashCode | 对象分代年龄 | 0 | 01 |
在运行期间，Mark Word 里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。Mark Word 可能变化为存储以下 4 种数据，如图2 ：
2. 锁膨胀
上面讲到锁有四种状态，并且会因实际情况进行膨胀升级，其膨胀方向是：
无锁可偏向——>偏向锁——>轻量级锁——>重量级锁
无锁可偏向——>无锁不可偏向——>轻量级锁——>重量级锁
并且膨胀方向不可逆（某些苛刻的条件是可逆的）。
2.1 偏向锁
如果想升级偏向锁，需要有两个条件：
- 打开偏向锁开关（-XX:BiasedLockingStartupDelay=0 ），1.8 版本是默认 JVM 启动 40s 后开启
- 不能运行 hashcode 方法，因为偏向锁需要 java 对象头存储线程的 ID ,如果计算了 hashcode 对象头的空间会被 hashcode 占用。
一句话总结它的作用：减少统一线程获取锁的代价。在大多数情况下，锁不存在多线程竞争，总是由同一线程多次获得，那么此时就是偏向锁。
核心思想：
如果一个线程获得了锁，那么锁就进入偏向模式，此时 Mark Word 的结构也就变为偏向锁结构，当该线程再次请求锁时，无需再做任何同步操作，即获取锁的过程只需要检查 Mark Word的锁标记位为偏向锁以及当前线程ID等于 Mark Word 的 ThreadID 即可，这样就省去了大量有关锁申请的操作。
底层通过调用 faster_enter 和 slow_enter
2.2 轻量级锁
轻量级锁是由偏向锁升级而来，当存在第二个线程申请同一个锁对象时，偏向锁就会立即升级为轻量级锁。注意这里的第二个线程只是申请锁，不存在两个线程同时竞争锁，可以是一前一后地交替执行同步块。
实现逻辑
轻量级锁的实现是在每一个线程中产生一个 lock record，在竞争锁的时候，采用 CAS 的方式把 Mark Word 的指针指向当前 Lock Record 的地址。
2.3 重量级锁
重量级锁是由轻量级锁升级而来，当同一时间有多个线程竞争锁时，锁就会被升级成重量级锁，此时其申请锁带来的开销也就变大。
重量级锁一般使用场景会在追求吞吐量，同步块或者同步方法执行时间较长的场景。
实现逻辑:
从上面的分析中，我们可以得知，Synchronized 关键字的锁存在 Java 对象头中，通过判断对象头的标记位来判断当前锁的状态，如果线程拿不到锁会一直等待，这个是怎么实现的呢？
在查询 JVM 规范可以得到 Synchronized 执行对应了两个 JVM 指令，MonitorEnter 和 MonitorExit 两个指令。同步方法是由方法调用指令读取运行时常量池中方法的 ACC_SYNCHRONIZED 标志来隐式实现的
首先我们先了解下 monitor （管程） 这个对象，在 Java 中所有对象都有一个 monitor 与之关联，对象与其 monitor 之间的关系有存在多种实现方式，如monitor可以与对象一起创建销毁或当线程试图获取对象锁时自动生成，但当一个 monitor 被某个线程持有后，它便处于锁定状态。
在Java虚拟机 (HotSpot) 中，monitor 是由 ObjectMonitor 实现的，其主要数据结构如下（位于 HotSpot 虚拟机源码 ObjectMonitor.hpp 文件：
ObjectMonitor() {
_header = NULL;
_count = 0; //记录个数
_waiters = 0,
_recursions = 0;
_object = NULL;
_owner = NULL;
_WaitSet = NULL; //处于wait状态的线程，会被加入到_WaitSet
_WaitSetLock = 0 ;
_Responsible = NULL ;
_succ = NULL ;
_cxq = NULL ;
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 ;
}ObjectMonitor中有两个队列，_WaitSet 和 _EntryList，用来保存 ObjectWaiter 对象列表( 每个等待锁的线程都会被封装成ObjectWaiter对象)，_owner 指向持有 ObjectMonitor 对象的线程，
- 当多个线程同时访问一段同步代码时，首先会进入
_EntryList集合 - 当线程获取到对象的
monitor后进入_Owner区域并把monitor中的owner变量设置为当前线程，同时monitor 中的计数器 count 加 1 - 若线程调用 wait() 方法，将释放当前持有的 monitor，owner 变量恢复为 null，count 自减 1，同时该线程进入 WaitSet 集合中等待被唤醒。
- 若当前线程执行完毕也将释放 monitor(锁) 并复位变量的值，以便其他线程进入获取 monitor(锁) 。
2.4 总结下锁升级的过程
3. 其他特性
3.1 锁消除
消除锁是虚拟机另外一种锁的优化，这种优化更彻底，在JIT编译时，对运行上下文进行扫描，去除不可能存在竞争的锁。比如下面代码的method1和method2的执行效率是一样的，因为object锁是私有变量，不存在所得竞争关系。
private void syncMethod1() {
Object obj = new Object();
//无效的锁，会自动消除
synchronized (obj) {
//....
}
}3.2 锁粗化
锁粗化是虚拟机对另一种极端情况的优化处理，通过扩大锁的范围，避免反复加锁和释放锁。比如下面method3经过锁粗化优化之后就和method4执行效率一样了。
private void syncMethod2() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
synchronized (Object.class) {
//....
}
}
//锁粗化会自动改成这种方式，提高性能
synchronized (Object.class) {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
//....
}
}
}