1.synchronized特点

synchronized的特点：原子性、可见性、可重入性

• 原子性：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

• 可见性：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

• 可重入性：单个线程可以重复拿到某个锁，锁的粒度是线程而不是调用

2.synchronized同步方式

synchronized可以修饰的地方如图所示，synchronized 上锁的资源只有两类：对象、类

1. 普通的成员函数方法，属于类的实例对象
2. 被static修饰的静态方法、静态属性，属于该类

举例：

public class Testl {
	private int i=0;
    private static int j=0;
	private final Testl instance = new Test1();
    
	//对成员函数加锁，必须获得该类的实例对象的锁才能进入同步块
    public synchronized void add1(){
        i++;
    }
	
    //对静态方法加锁，必须获得类的锁才能进入同步块
    public static synchronized void add2(){
        i++;   
    }
                                           
	public void method(){
        
        // 同步块，执行前必须获得Test1类的锁
		synchronized(Testl.class){
        }
        
        //同步块，执行前必须先获得实例对象的锁
		synchronized(instance){
    	}
    }
}

2.1 同步代码块

结论：依赖于monitorenter和monitorexit指令

public class Test3
    private static int i=0;
	public void method（）{
    	synchronized (Test3.class){
        	i++;
	    }
	}
}

反编译，可得如下图：

1. 由图可得，添加了synchronized关键字的代码块，多了两个指令monitorenter、monitorexit。即JVM使用monitorenter和monitorexit两个指令实现同步。
2. 同步块是由monitorenter指令进入，然后monitorexit释放锁
3. 在执行monitorenter之前需要尝试获取锁，如果这个对象没有被锁定，或者当前线程已经拥有了这个对象的锁，那么就把锁的计数器加1。当执行monitorexit指令时，锁的计数器也会减1。当获取锁失败时会被阻塞，一直等待锁被释放。
4. 第二个monitorexit是来处理异常的，仔细看反编译的字节码，正常情况下第一个monitorexit之后会执行goto指令，而该指令转向的就是23行的return，也就是说正常情况下只会执行第一个monitorexit释放锁，然后返回。而如果在执行中发生了异常，第二个monitorexit就起作用了，它是由编译器自动生成的，在发生异常时处理异常然后释放掉锁。

2.2 同步方法

• 同步方法：通过方法flags标志

public synchronized void dosth（）{
    System.out.println("test Synchronized method");
}

反编译，可得如下图：

由图可得，添加了synchronized关键字的方法，多了ACC_SYNCHRONIZED标记。即JVM通过在方法访问标识符(flags)中加入ACC_SYNCHRONIZED来实现同步功能。

3.synchronized底层

synchronized的底层实现是完全依赖JVM虚拟机的，谈数据在JVM内存的存储：Java对象头、Monitor对象监视器。

3.1 Java对象

3.1.1 对象结构

在JVM中，对象是分成三部分：对象头、实例数据、对其填充，如下图

1. 实例数据：对象真正存储的有效信息，存放类的属性数据信息，包括父类的属性信息；
2. 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。
3. 对象头：是synchronized实现锁的基础，因为synchronized申请锁、上锁、释放锁都与对象头有关。
   1. 对象头主要结构是由Mark Word 和 Class Metadata Address组成
   2. 其中Mark Word存储对象的hashCode、锁信息或分代年龄或GC标志等信息**，**
   3. Class Metadata Address是类型指针指向对象的类元数据 ，JVM通过该指针确定该对象是哪个类的实例

下面讲讲对象头结构中的 Mark Word标记字段：

1. Mark Word 用于存储对象自身的运行时数据，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
2. 锁标志位（2bit）：
   1. 01：该对象为无锁状态
   2. 00：该对象为轻量级锁，指向栈中锁记录的指针
   3. 10：重量级锁，指向互斥量的指针

3.1.2 加锁过程

JVM一般是这样使用锁和Mark Word的（64位JVM对象）：

1. 一个对象没有被当成锁时，是一个普通的对象，Mark Word标记字段记录对象的HashCode，锁标志位为01，是否偏向锁位为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54bit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

对象怎么和monitor实现关联？

1. 对象里有对象头
2. 对象头里面有Mark Word 标记字段
3. Mark Word指针指向了ObjectMonitor
4. 每个对象都与一个monitor相关联，线程可以占有或者释放monitor。

3.2 ObjectMonitor

在Java虚拟机（HotSpot）中，Monitor（管程）是由ObjectMonitor实现的，其主要数据结构如下：

ObjectMonitor中几个关键字段：

• _count：记录owner线程获取锁的次数
• _owner：指向持有ObjectMonitor对象的线程
• _WaitSet：存放处于wait状态的线程队列
• _EntryList：存放处于等待锁block状态的线程队列
• _recursions：锁的重入次数

多个线程同时访问一段同步代码执行过程：

1. 首先，要获取ObjectMonitor的线程会进入 _EntryList 集合
2. 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
3. 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
4. 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)

4.synchronized优化

JDK6 的时候，新增了两个锁状态：偏向锁、轻量级锁，并通过锁消除、锁粗化等方法使用各种场景，给synchronized性能带来了很大的提升。

• 无锁：

• 偏向锁：

  • 核心思想：让同一个线程一直拥有同一个锁，直到出现竞争，才去释放锁
  • 举例：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。

• 轻量级锁（自旋锁）：

  • 核心思想：一个线程去申请一个已经被另一个线程占有的锁时，当前线程自旋申请持有锁，而不是阻塞
  • 举例：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

• 重量级锁：

  • 核心思想：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，竞争不到锁的线程进入阻塞等待
  • 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。

5.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。

6.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。

7.小结

7.1 synchronized和Lock区别

	synchronized	Lock
形态不同	java关键字、jvm层次	接口
锁的释放不同	1.执行完同步代码，自动释放锁 2.发生异常，jvm释放锁	1.手动释放锁 unlock() 2.在finally里必须释放，不然会死锁
锁类型不同	可重入、非公平	可重入、可公平（非公平）
是否可以尝试获取锁	不可以	可以，tryLock()
粒度	粗	细

7.2 synchronized和ReentrantLock区别

	synchronized	ReentrantLock
锁类型不同	非公平锁	非公平锁、公平锁
锁的释放不同	1.执行完同步代码，自动释放锁 2.发生异常，jvm释放锁	手动释放锁
是否可以尝试获取锁	不可以	可以，tryLock()
是否可以超时获取锁	不支持	可以，tryLock(time)
是否可响应中断	不支持，不可响应线程的interrupt信号	支持，lockInterruptibly()
性能	较差	比Synchronized优20%

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