1. synchronized概述

synchronized是一个悲观锁，可以实现线程同步，在多线程的环境下，需在操作同步资源的时候先加锁，避免共享资源出现问题。

因为加锁可以使得一个线程在一个时间点内只有一个线程可以访问，这样增加了安全性。

但是这样却损失了程序的执行性能，因为在加锁、抢夺锁、释放锁需要从用户态切换成内核态，属于操作系统层面的，因此比较消耗性能。

于是，在JDK6之后便引入了“偏向锁”和“轻量级锁”，共有4种锁状态，级别由低到高依次为：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态、重量级锁状态。这几个状态会随着竞争情况逐渐升级。

synchronized 可以用在实例方法、静态方法、代码块上

1. 修饰实例方法，对当前实例对象this加锁
2. 修饰静态方法，对当前类的Class对象加锁
3. 修饰代码块，指定加锁对象，对给定对象加锁

---

2. synchronized 的实现原理

想要了解synchronized 的实现原理，就要先知道Java对象是怎么存放的。因为synchronized不论是修饰方法还是代码块，都是通过持有修饰对象的锁来实现同步。

---

2.1 Java对象组成

Java对象分为三部分：

1. 对象头，包括**Mark Word (标记字段)** 和 Klass Pointer(类型指针)
   • Mark Word用来存储对象自身的运行时数据
   • Klass Point 是对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例
2. 实例变量，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
3. 填充字节，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

Java对象有这三部分，锁就在对象的对象头Mark Word，Mark Word的结构如下，在64位虚拟机下，MarkWord是64bit大小的，其存储结构如下所示

---

2.2 Monitor

Monitor可以理解为是一个同步工具或者同步器，通常被描述为一个对象。每一个 Java 对象就有一把看不见的锁，称为内部锁或者 Monitor 锁。

Monitor 是线程私有的数据结构，每一个线程都有一个可用 monitor record 列表，同时还有一个全局的可用列表。每一个被锁住的对象都会和一个 monitor 关联，同时 monitor 中有一个 Owner 字段存放拥有该锁的线程的唯一标识，表示该锁被这个线程占用。

ObjectMonitor() {
    _count        = 0; //记录数
    _recursions   = 0; //锁的重入次数
    _owner        = NULL; //指向持有ObjectMonitor对象的线程 
    _WaitSet      = NULL; //调用wait后，线程会被加入到_WaitSet
    _EntryList    = NULL ; //等待获取锁的线程，会被加入到该列表
}

对于一个被synchronized 修饰的方法和代码块来说

1. 当多个线程同时访问一个方法时，这些线程会被放入EntryList队列中，此时这些线程处于阻塞（Blocked）状态。
2. 当一个线程获取到了对象的Monitor后，就进入可运行（running）状态，执行方法，此时ObjectMonitor对象的_owner就会指向当前线程，表示当前线程获取到了锁。并且锁的计数器_count需要加一。
3. 当running状态的线程调用wait()方法，那么当前线程释放monitor对象，进入waiting状态，ObjectMonitor对象的owner变为null，count减1，同时线程进入WaitSet队列，直到有线程调用notify()方法唤醒该线程，则该线程进入EntryList队列，竞争到锁再进入_Owner区
4. 当线程释放锁的时候，线程会释放Monitor对象，锁的计数器_count需要减一，当锁的计数器为0的时候，就会彻底释放锁。

Monitor对象存在于每个Java对象的对象头中，synchronized锁便是通过这种方式获取锁的。

---

2.3 从字节码角度看synchronized

这里有一个加锁的代码

public class Test {
    public int count = 0;
    public void addOne() {
        synchronized (this) {
            count++;
        }
    }
}

将这个Java程序编译成字节码class文件

 public void addOne();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=3, locals=3, args_size=1
         0: aload_0
         1: dup
         2: astore_1
         3: monitorenter // 进入同步方法
         4: aload_0
         5: dup
         6: getfield      #2                  // Field count:I
         9: iconst_1
        10: iadd
        11: putfield      #2                  // Field count:I
        14: aload_1
        15: monitorexit // 退出同步方法
        16: goto          24
        19: astore_2
        20: aload_1
        21: monitorexit // 退出同步方法
        22: aload_2
        23: athrow
        24: return
      Exception table:

可见，字节码底层是通过monitorenter进入同步代码块的，通过monitorexit指令退出同步代码块的。

而monitorexit指令有两个，第一个是正常退出同步代码块的情况。第二个则是由于同步代码块出现异常而出现释放锁的情况，这种设计可以有效避免死锁。

---

3. 锁升级

为什么会出现锁升级呢？

一开始，synchronized 无论是大并发还是小并发都属于重量级锁，效率低下，因为操作系统实现线程之间的切换时需要从用户态转换到核心态，这个状态之间的转换需要相对比较长的时间，时间成本相对较高。

于是，在JDK6之后，在JVM层面对synchronized 进行了优化，为了减少锁的获取和释放所带来的性能消耗，引入了“偏向锁”和“轻量级锁”。也就出现了锁升级的情况。

注意，锁只可以升级但不能降级，但是偏向锁状态可以重置为无锁状态。

---

3.1 偏向锁

偏向锁的出现，是为了应对同一个线程多次获取一个锁的情况的出现，因此没有必要每次都要竞争锁，从而降低获取锁的代价。

偏向锁的核心思想是：如果一个线程获取到了锁，那么就进入偏向模式，此时Mark Word结构也变为偏向锁模式，当这个线程再次来请求获取锁，则无需在任何同步操作，直接获取锁。

加锁的时候，如果该锁对象支持偏向锁，那么Java虚拟机会通过CAS操作，将当前线程的地址也就是线程ID记录到对象头的标记字段，并且将标记字段的最后三位设置为101。

如果前面通过CAS加锁、解锁的时候，对比当前线程ID和Java对象头的线程ID，如果一直，就可以直接获取锁。

如果不一致，说明存在其他线程需要竞争锁对象，那么就需要查看Java对象头的记录的线程是否存活。

如果没有存活则会将锁对象重置为无锁状态，其他线程都可以竞争将其设置为偏向锁。

如果存活，那么立刻查找该线程的栈帧信息，如果还是需要继续持有这个锁对象，那么暂停当前线程，撤销偏向锁，升级为轻量级锁，如果线程1 不再使用该锁对象，那么将锁对象状态设为无锁状态，重新偏向新的线程。

---

3.2 轻量级锁

轻量级锁考虑的是竞争对象的线程不多，而且线程持有锁的时间也不长的情景。

轻量级锁的获取主要有两个情况

1. 当偏向锁关闭的时候
2. 由于多个线程竞争导致偏向锁升级为轻量级锁

线程A在获取轻量级锁的时候，会先把锁对象的Mark Word复制一份给线程A的栈帧中创建的用于存储锁记录的空间(Displaced Mark Word)，然后使用CAS把对象头的内存替换成线程A存储的锁记录。如果成功，当前线程获得锁，如果失败，表示Mark Word已经被替换成了其他线程的锁记录，说明在与其它线程竞争锁，当前线程就尝试使用自旋来获取锁。

如果自旋次数到了线程B还没有释放锁，或者线程B还在执行，线程A还在自旋等待，这时又有一个线程C过来竞争这个锁对象，那么这个时候轻量级锁就会膨胀为重量级锁。重量级锁把除了拥有锁的线程都阻塞，防止CPU空转。

轻量级锁的释放
在释放锁时，当前线程会使用CAS操作将·Displaced Mark Word内容复制回锁的MarkWord里面。如果没有发生竞争，那么这个复制的操作会成功。如果有其他线程因为自旋多次导致轻量级锁升级成了重量级锁，那么CAS操作会失败，此时会释放锁并唤醒被阻塞的线程。

---

参考：

1. 【JUC】10. synchronized与锁升级_synchronized性能下降_起名方面没有灵感的博客-CSDN博客
2. 详解Synchronized底层实现，锁升级的具体过程，与Lock的区别 - 掘金 (juejin.cn)
3. synchronized四种锁状态的升级 - 掘金 (juejin.cn)
4. 大彻大悟synchronized原理，锁的升级 - 掘金 (juejin.cn)