synchronized锁

synchronized底层原理

当使用synchronized时，不需要自己编写代码进行上锁和上锁的操作，因为JVM帮我们把相关操作完成了。

JVM采用了monitorenter和monitorexit指令进行同步的，前者指向同步代码开始的位置，后者指向同步代码结束的位置，并通过ACC_SYNCHRONIZED标识符实现同步的，这个标识代表该方法是同步方法。monitorenter、monitorexit、ACC_SYNCHRONIZED都是基于Moniter实现的，而Moniter由ObjectMoniter实现。即synchronized的底层通过Moniter实现的，Moniter是JVM级对象，通过C++实现，线程获取锁需要对象锁关联Moniter。

ObjectMoniter包含了WaitSet、Owner、EntryList三部分组成。Owner存储获取了锁的线程，只能有一个线程获取；WaitSet用于存储处于等待状态的线程；EntryList用于存储处于阻塞状态的线程。

当代码进入synchronized时，首先根据对象锁关联的Moniter，判断Owner是否已存储了线程，若未存储，则当前线程获取锁成功，并进入到Owner中；若已存储，则进入EntryList队列等待，当Owner释放锁时，EntryList队列中的线程竞争锁的使用权（非公平的方式）；当代码调用了wait()方法，则线程进入WaitSet队列中，进行等待。

synchronized可见性、有序性、可重入性实现

可见性

线程加锁前，清空工作变量中共享变量的值，需要使用共享变量时从主内存中读取共享变量的值。

线程加锁后，其他线程无法读取共享变量的值；在线程释放锁后，需要把共享变量的值刷新到主内存中。

有序性

synchronized同步的代码块，使得一次只能由一个线程执行，保证每一时刻都是单线程执行，同时as-if-serial语义的存在，单线程程序能保证最终的结果是有序的（as-if-serial语义：指令执行的顺序无论怎么重排序，执行的结果都不会被改变）。

可重入

是通过锁对象的计数器recursions记录线程获取锁的次数，当线程获取锁后，计数器加1，线程执行完后，计数器减1，直到计数器减为0。

锁升级过程

Java的对象头中，通过Mark Word结构，记录锁的状态。当后三位为001时，为无锁状态；后三位为101时为偏向锁状态；后两位为00时为轻量级锁；后两位为01时为重量级锁；后两位为11时对象标记为GC。

在无锁状态时，没有线程试图获取锁。

当第一个线程访问同步块时，且对象中处于无锁状态且偏向锁未被禁用，同步锁的对象头中存储该线程的id，并将对象头中的锁标记设置为偏向锁。

此时同一线程退出或进入这个同步块时，不需要通过CAS进行加锁或解锁。当其他线程进入这个同步块时，使用CAS操作将Mark Word中的id替换为新线程的id，若成功，则原线程不活跃，则将锁偏向至新的线程，Mark Word中的id也替换为新线程的id，锁仍为偏向锁；若失败，则原线程活跃，则撤销偏向锁，当偏向锁撤销时，遍历堆栈中所有锁记录，暂停偏向锁的线程，并检查锁对象，此时若有其他线程试图获取这个锁，则JVM撤销偏向锁，锁状态变为轻量级锁，此时偏向锁标志位设为0，锁标志位设为00。当多个线程在不同时段获取同一把锁时，JVM采用轻量级锁避免线程被阻塞和唤醒。

当一个线程试图获取轻量级锁时，JVM会在当前线程的栈帧中创建用于存储锁记录的空间，当线程发现获取的锁为轻量级锁时，会将该锁对象的Mark Word复制到存储锁记录的空间中，然后线程试图通过CAS将锁的Mark Word修改为指向锁记录的指针，若成功，则该线程获取锁成功，若失败，则说明Mark Word已被替换为其他线程的锁记录，存在竞争，此时通过自旋的方式不断尝试获取锁，当达到一定次数未成功时，锁会升级为重量级锁。

当锁被升级到重量级锁时，JVM会在操作系统层面创建一个mutex互斥锁，所有尝试获取该锁的线程都会被阻塞，直至锁被释放。

锁优化

在JDK1.6前，synchronized锁为重量级锁，在JDK1.6后，HotSpot对Java锁进行了优化，除了偏向锁、轻量级锁、自旋锁外，还有一下两种：

1、锁粗化：若JVM检测到多个连续的锁操作在一个线程中时，会将多个锁操作合并为一个更大的锁操作，可减少锁的操作次数。锁粗化主要针对循环内连续加锁和解锁的情况。

2、锁消除：Java即时编译器即（JIT）可在代码运行时对代码进行分析，若发现某些锁操作不可能被多个线程同时访问，这些锁就会被消除，减小了很多不必要的开销。