1.基础知识
2.Synchronized底层实现
- 2.1 同步代码块
  - 2.1.1 monitorenter
  - 2.1.2 monitorexit
- 2.2 同步方法
3.Synchronized锁升级过程
引用

1.基础知识

Synchronized 原理 - 图1
synchronized关键字最主要有以下3种应用方式，下面分别介绍
修饰实例方法，作用于当前实例加锁，进入同步代码前要获得当前实例的锁
修饰静态方法，作用于当前类对象加锁，进入同步代码前要获得当前类对象的锁
修饰代码块，指定加锁对象，对给定对象加锁，进入同步代码库前要获得给定对象的锁。

2.Synchronized底层实现

2.1 同步代码块


    public static void main(String[] args) {
        int i = 1;
        new SychronizedDemo().add(i);
        System.out.println(i);
    }
    public void add(int i) {
        synchronized (this) {
            i++;
        }
    }

两个monitorexit 指令:
第一个monitorexit指令是同步代码块正常释放锁的一个标志；
如果同步代码块中出现Exception或者Error，则会调用第二个monitorexit指令来保证释放锁

2.1.1 monitorenter

每个对象维护着一个记录着被锁次数的计数器，对象未被线程所占用时，该计数器为0，线程进入monitor(执行monitorenter指令后)，会把计数器设置为1。
若线程已拥有monitor的所有权，允许它重入monitor，进入一次次数+1 ；
若其他线程已经占有monitor，当前尝试获取monitor的线程会被阻塞，直到进入次数为变0，才能重新被再次获取。

2.1.2 monitorexit
能执行monitorexit指令的线程，一定是拥有当前对象的monitor所有权的。

当执行monitorexit指令计数器减到为0时，当前线程就不再拥有monitor所有权。其他被阻塞的线程即可再一次去尝试获取这个monitor的所有权。

2.2 同步方法

public class SychronizedDemo {
  public static void main(String[] args) {
      int i = 1;
      new SychronizedDemo().add(i);
      System.out.println(i);
  }
  public synchronized void add(int i) {
      System.out.println(i++);
  }
}

synchronized方法则会被翻译成普通的方法调用和返回指令如:invokevirtual、areturn指令，在VM字节码层面并没有任何特别的指令来实现被synchronized修饰的方法，而是在Class文件的方法表中将该方法的access_flags字段中的synchronized标志位置1，表示该方法是同步方法并使用调用该方法的对象或该方法所属的Class在JVM的内部对象表示Klass做为锁对象。

3.Synchronized锁升级过程

	偏向锁	轻量级锁	重量级锁
适用场景	只有一个线程进入同步块	虽然多个线程，但是没有冲突;多条线程进入同步块，但是线程进入时间错开因而并未争抢锁	发生了锁争夺的情况：多条线程争夺锁。
本质	没有同步操作	CAS操作代替互斥同步	互斥同步
优点	不阻塞，执行效率高	自旋不阻塞	不会空耗CPU，直接挂起阻塞。
缺点	适用场景太局限。若竞争产生，会有额外的偏向锁撤销的消耗。	长时间获取不到锁空耗CPU	阻塞，上下文切换。

锁的状态总共有四种，无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。随着锁的竞争，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。

3.1 偏向锁

偏向锁是Java 6之后加入的新锁，它是一种针对加锁操作的优化手段，经过研究发现，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，因此为了减少同一线程获取锁(会涉及到一些CAS操作,耗时)的代价而引入偏向锁。偏向锁的核心思想是，如果一个线程获得了锁，那么锁就进入偏向模式，此时Mark Word 的结构也变为偏向锁结构，当这个线程再次请求锁时，无需再做任何同步操作，即获取锁的过程，这样就省去了大量有关锁申请的操作，从而也就提供程序的性能。

所以，对于没有锁竞争的场合，偏向锁有很好的优化效果，毕竟极有可能连续多次是同一个线程申请相同的锁。但是对于锁竞争比较激烈的场合，偏向锁就失效了，因为这样场合极有可能每次申请锁的线程都是不相同的，因此这种场合下不应该使用偏向锁，否则会得不偿失，需要注意的是，偏向锁失败后，并不会立即膨胀为重量级锁，而是先升级为轻量级锁。下面我们接着了解轻量级锁。

3.1.1 为什么要引入偏向锁？

大多数时候是不存在锁竞争的，常常是一个线程多次获得同一个锁，因此如果每次都要竞争锁会增大很多没有必要付出的代价，为了降低获取锁的代价，才引入的偏向锁。减少CPU切换，用户态到核心态的切换

3.1.2 偏向锁的升级

【1】当线程1访问代码块并获取锁对象时，会在java对象头和栈帧中记录偏向的锁的threadID，因为偏向锁不会主动释放锁；
因此以后线程1再次获取锁的时候，需要比较当前线程的threadID和Java对象头中的threadID是否一致，如果一致（还是线程1获取锁对象），则无需使用CAS来加锁、解锁；
【2】如果不一致（其他线程，如线程2要竞争锁对象，而偏向锁不会主动释放因此还是存储的线程1的threadID），那么需要查看Java对象头中记录的线程1是否存活，如果没有存活，那么锁对象被重置为无锁状态，其它线程（线程2）可以竞争将其设置为偏向锁；
【3】如果存活，那么立刻查找该线程（线程1）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1，撤销偏向锁，升级为轻量级锁，
【4】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

倘若偏向锁失败，虚拟机并不会立即升级为重量级锁，它还会尝试使用一种称为轻量级锁的优化手段(1.6之后加入的)，此时Mark Word 的结构也变为轻量级锁的结构。轻量级锁能够提升程序性能的依据是“对绝大部分的锁，在整个同步周期内都不存在竞争”，注意这是经验数据。需要了解的是，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，就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。

3.2.1 为什么引入轻量级锁？

轻量级锁考虑的是竞争锁对象的线程不多，而且线程持有锁的时间也不长的情景。因为阻塞线程需要CPU从用户态转到内核态，代价较大，如果刚刚阻塞不久这个锁就被释放了，那这个代价就有点得不偿失了，因此这个时候就干脆不阻塞这个线程，让它自旋这等待锁释放。

3.2.2 自旋锁

轻量级锁失败后，虚拟机为了避免线程真实地在操作系统层面挂起，还会进行一项称为自旋锁的优化手段。这是基于在大多数情况下，线程持有锁的时间都不会太长，如果直接挂起操作系统层面的线程可能会得不偿失。

3.2.2.1 自适应自旋锁

JDK1.6引入了自适应自旋锁。线程如果上次自旋成功了，那么这次自旋的次数会更加多。因此虚拟机认为既然上次成功了，那么这次

3.2.3 轻量级锁什么时候升级为重量级？

线程1获取轻量级锁时会先把锁对象的对象头MarkWord复制一份到线程1的栈帧中创建的用于存储锁记录的空间（称为DisplacedMarkWord），然后使用CAS把对象头中的内容替换为线程1存储的锁记录（DisplacedMarkWord）的地址；
如果在线程1复制对象头的同时（在线程1CAS之前），线程2也准备获取锁，复制了对象头到线程2的锁记录空间中，但是在线程2CAS的时候，发现线程1已经把对象头换了，线程2的CAS失败，那么线程2就尝试使用自旋锁来等待线程1释放锁。

但是如果自旋的时间太长也不行，因为自旋是要消耗CPU的，因此自旋的次数是有限制的，比如10次或者100次，如果自旋次数到了线程1还没有释放锁，或者线程1还在执行，线程2还在自旋等待，这时又有一个线程3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。

3.3 重量级锁

内置锁在Java中被抽象为监视器锁（monitor）。在JDK 1.6之前，监视器锁可以认为直接对应底层操作系统中的互斥量（mutex）。这种同步方式的成本非常高，包括系统调用引起的内核态与用户态切换、线程阻塞造成的线程切换等。因此，后来称这种锁为“重量级锁”;

3.4 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，Java虚拟机在JIT编译时(可以简单理解为当某段代码即将第一次被执行时进行编译，又称即时编译)，通过对运行上下文的扫描，去除不可能存在共享资源竞争的锁，通过这种方式消除没有必要的锁，可以节省毫无意义的请求锁时间。

引用

https://segmentfault.com/a/1190000017255226
http://www.360doc.com/content/20/0602/17/70282097_916085028.shtml
https://blog.csdn.net/javazejian/article/details/72828483
https://blog.csdn.net/suifeng629/article/details/106156599
Synchronized 汇编底层实现：https://zhuanlan.zhihu.com/p/118634086

Synchronized 原理