1 synchronized是什么

synchronized是多线程锁机制的一种，能够实现多线程的同步，解决多线程的同步问题。它是Java的一个关键字，可以用来修饰方法或者代码块，可以将代码块或方法锁起来。
它是一种互斥锁：一次只能允许一个线程进入被锁住的代码块。
它是一种内置锁/监视器锁：Java中每个对象都有一个内置锁（监视器，也可以理解为锁标记）。而synchronized就是使用对象的内置锁（监视器）来将代码块/方法锁定的。它锁住的是对象，但我们同步到是方法/代码块。
synchronized能够保证线程的可见性、原子性及有序性。
synchronized实现同步的基础：Java中每一个对象都可以作为锁，具体有以下三种形式

synchronized修饰普通同步方法（成员方法）时，锁的是当前实例对象；
synchronized修饰静态同步方法（静态方法）时，锁的是当前类的Class对象；
synchronized修饰代码块时，锁的是synchronized括号里配置的对象，也就是我们指定加锁对象，但是尽量不要使用String类型对象作为加锁对象，因为字符串常量池具有缓存功能。

在JDK1.5之前synchronized是一个重量级锁，相对于Lock接口下的锁，显得很笨重，随着JDK1.6对它进行优化后，synchronized并不会显得那么重量级了。

2 synchronized释放锁的时机

当方法（代码块）执行完毕后会自动释放锁，不需要做任何操作；
当一个线程执行的代码出现异常时，其持有的所会自动释放；

不会由于异常导致出现死锁现象的。

3 synchronized的原理（底层实现）

要谈synchronized的底层实现，就不得不谈数据在JVM内存的存储时的两个东西：Java对象头以及Monitor对象监视器。
在JVM中（在其堆内存中），一个Java对象到底包含些什么呢？
概括起来可以分为对象头、对象体和对齐字节；其中对象头又包含Mark Word（标记字）、Class Pointer（类对象指针）和Array Length（数组长度）三部分。

3.1 对象头、对象体、对齐字节

在JVM中，对象在内存中的布局分分为三块区域：对象头、实例数据（对象体）和对齐填充（对齐字节）：

对象体（实例数据）：存放类的属性数据信息，包括父类的属性信息；这部分数据按4字节对齐（按四字节对齐的意思是：比如现在的数据占用了一个字节，那么就要分给它四个字节；如果数据占用了五个字节，那就要分给它八个字节；也即所分的内存只能是四的整数倍）
对象头：对象头分为三个部分：
- Mark Word（标记字）：用来存储自身运行时的数据，比如：对象的分代年龄、hashCode、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等信息。 Mark W在32位JVM中长度是32bit，在64位JVM中长度shi64bit，在不同的锁状态下，存储的内容不同。
- Class Pointer（类对象指针）：用来存储方法区中字节码对象的地址，JVM通过这个指针来确定这个对象时属于哪个类的实例；
- Array Length（数组长度）：如果对象是数组，则该字段记录数组的长度；如果不是数组，则该字段不存在。这是一个可选字段。
对齐字节（对齐填充）：对齐字节的作用是用来保证Java对象实例所占内存字节数为8的倍数。HotSpot虚拟机的内存管理，要求对象的起始地址必须是8字节的整数倍。对象头本身是8的整数倍，当对象的实例变量数据不是8的倍数时，便需要填充数据来保证8字节的对齐。

通过上述描述，我们可以了解到Java对象在内存中的结构，其中，Java内置锁的很多信息都存放在对象的Mark Word字段中。
synchronized是一个内置锁，它用锁就是存放在Java对象头的Mark Wrod部分中的。Mark Word时实现轻量级所锁和偏向锁的关键。
对象头中的信息是与对象自身定义的数据无关的额外存储成本，Mark Word被设计成一个非固定的数据结构，以便在极小的空间内存中存储尽量多的数据，它会根据对象的状态复用自己的存储空间。即：Mark Word会随着程序的运行发生变化。
变化举例：
在32位JVM下，无锁状态下Mark Word的存储结构：

它可能变化为存储以下四中数据：

在64位虚拟机下，Mark Word是64bit大小的，其存储结构如下：

可以看到，Mark Word的最后两位存储了锁的标志位。01代表初始状态，未加锁，Mark Word里存储的是对象本身的哈希码，随着锁级别的不同，对象头里会存储不同的内容。偏向锁存储的是当前占用此对象的线程的id；而轻量级锁则存储指向线程栈中锁记录的指针；重量级锁存储的是指向重量级锁的指针。
其中Mark Word的标志位及存储内容以及锁状态如下：

在线程进入同步代码块的时候，如果此同步对象没有被锁定，即它的锁标志位是01，则虚拟机首先在当前线程的栈中创建Lock Record（锁记录）空间用于存储对象的Mark Word的拷贝，官方把这个拷贝称为Displaced Mark Word。
Lock Record是线程私有的数据结构，每个线程都有一个可用Lock 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Mark Word都会和一个Lock Record关联（关联方式是对象头的Mark Word中的Lock Word指向Lock Record的起始地址）。同时Lock Record中有一个Owner字段存放拥有该锁的线程的唯一标识（或者object mark word），表示该锁被这个线程占用。
Lock Record的内部结构：

3.2 监视器Monitor

Monitor是什么：可以把它理解为一个同步工具或者一种同步机制，它通常被描述为一个对象。
任何一个对象都有一个Monitor与之关联，且当一个Monitor被持有后，它将处于锁定状态。
synchronized在JVM里的实现都是基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步，虽然具体实现细节不一样，但都可以通过成对的MonitorEnter和MonitorExit指令来实现。

MonitorEnter：插入在同步代码块的开始位置，当代码执行到该指令时，将会尝试获取该对象Monitor的所有权，即：尝试获取该对象的锁；
MonitorExit：插入在方法结束和异常处，JVM保证没有MonitorEnter必须有对应的MonitorExit。

在Java，一切接对象，所有的Java对象都是天生的Monitor，每一个Java对象都又称为Monitor的潜质。因为在Java的设计中，每个Java对象自创建出来就带了一把看不见的锁，它叫做内部所或者Monitor锁，也就是通常说的synchronized的对象锁。synchronized的对象所锁，Mark Word锁标志位为10，其中指针指向的是Monitor对象的起始地址。
在java虚拟机（HotSpot）中，Monitor是有ObjectMonitor实现的,数据结构如下（由C++实现）：

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conut+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(notify()/notifyAll()）
若当前线程执行完毕，也将释放monitor（锁），并复位count的值，以便其他线程进入获取monitor（锁）。

同时，monitor对象存于每个java对象的对象头的Mark Word区域中（存储的是指针，指针指向monitor对象），synchronized锁便是通过这种方式获取锁的，也是为什么java中任意对象都可以作为锁的原因。同时，notify()/notifyAll()/wait()等方法会使用到monitor锁对象，所以必须在同步代码块中使用。
monitor监视器有两种同步方式：

互斥同步：多线程环境下，线程之间如果需要共享数据，需要解决互斥访问数据的问题，监视器可以确保监视器上的数据在同一时刻只会有一个线程在访问。
协作同步：一个线程向缓冲区写数据，另一个线程从缓冲区读数据，如果多线程发现缓冲区为空就会等待，当写线程向缓冲区写入数据，就会唤醒多线程，这里多线程和写线程就是一个合作关系。

monitor与Java对象的关系：

3.3 synchronized原理总结

对于synchronized修饰同步代码块的情况：

public class SynchronizedDemo {
    public void method() {
        synchronized (this) {
            System.out.println("synchronized 代码块");
        }
    }
}

synchronized同步代码块的实现，使用的是monitorenter和monitorexit指令来实现。其中monitorenter指令指向同步代码块开始的位置，monitorexit指令指名同步代码块的结束位置。

在执行monitorenter时，会尝试获取对象的锁，如果锁的计数器为0则表示锁可以被获取，获取后将锁的计数器设为1，也就是加1；
对象锁的拥有者线程才可以执行monitorexit指令来释放锁；
在执行了monitorexit指令后，将锁的计数器设为0，表示锁被释放，其他线程可以尝试获取锁；
如果获取对象锁失败，那当前线程就要阻塞等待，直到锁被另外一个线程释放为止。

synchornized修饰方法的情况：
synchronized修饰的方法并没有monitoreter指令和monitorexit指令，取而代之的是ACC_SYNCHRONIZED标识，该标识指明了该方法是个同步方法。JVM通过该ACC_SYNCHRONIZED访问表示来辨别一个方法是否是同步方法，从而执行相应的同步调用。

先从同步方法的常量池中检查是否ACC_SYNCHRONIZED标识，如果有，就先获取锁（也就是monitor监视器锁）；
如果是实例方法，JVM会尝试获取实例对象的锁；如果是静态方法，JVM会尝试获取当前Class的锁；
获取道监视器锁（monitor）后，开始执行方法；
方法执行之后再释放监视器锁；
这时如果其他线程来请求执行方法，会因为无法获得监视器锁而被阻断住；
如果方法执行过程中发生了异常，并且方法内部没有处理该异常，那么在异常被抛到方法外面之前，监视器锁会被自动释放。

总结：
synchronized同步代码块的实现，使用的是monitorenter和monitorexit指令，其中monitorenter指令指向同步代码块的开始位置，monitorexit指令则指明同步代码块的结束位置；
synchronized修饰的方法并没有monitorenter和monitorexit指令，而是用ACC_SYNCHRONIZED
标识，该标识指明了该方法是一个同步方法；
二者本质上，都是对对象监视器monitor的获取。monitorenter、monitorexit和ACC_SYNCHRONIZED都是基于monitor监视器实现的，在JVM（HotSpot中），monitor是基于C++实现的，由于ObjectMonitor实现，ObjectMonitor类提供了几个方法，如enter、exit、wait、notify、notifyAll等。synchronized加锁的时候，会调用ObjectMonitor的enter方法，解锁的时候会调用exit方法。

4 synchronized锁的升级顺序

锁解决了数据的安全问题，但是同样带来了性能的下降。
HotSpot虚拟机的作者发现，大部分情况下，加锁的代码不仅仅不存在多线程竞争，而且总是是由同一个线程多次获得。基于这种情况，synchronized在JDK1.6之后做了一些优化。
JDK1.6之后，synchronized为了减少获得锁和释放锁带来的性能开销，引入了偏向锁、轻量级锁、自旋锁、重量级锁等锁，锁的状态根据竞争激烈的程度从低到高不断升级。
锁存在四种状态，依次是无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态、重量级锁状态。这些状态会随着竞争的激烈而主键升级。但是要注意，锁可以升级不可以降级，这种策略是为了提高获得锁和释放锁的效率。
这里还涉及更深入的东西，后续再看。

Java开发相关学习笔记

synchronized关键字