synchronized用于多线程访问共享资源时，通过同步机制保证线程安全。包括同步代码块、同步方法、静态同步方法，详见《Java多线程（下）》。本章介绍下synchronized原理。

synchronized是JDK自带的一个关键字，在JDK1.5之前是一个重量级锁，会切换线程状态，导致性能不好，所以从性能上考虑大部分人会选择Lock锁，不过毕竟是JDK自带的关键字，所以在JDK1.6后对它进行优化，引入了偏向锁，轻量级锁，自旋锁等概念。

synchronized四大特性

原子性
synchronized修饰的类或对象的所有操作都是原子的，因为在执行操作之前必须先获得类或对象的锁，直到执行完才能释放，这中间的过程无法被中断，即保证了原子性。
可见性
synchronized对一个类或对象加锁时，锁的状态对于其他任何线程都是可见的，并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存当中，保证资源变量的可见性。
有序性
synchronized保证了每个时刻都只有一个线程访问同步代码块，也就确定了线程执行同步代码块是分先后顺序的，保证了有序性。
可重入性
synchronized和ReentrantLock都是可重入锁。当一个线程试图操作一个由其他线程持有的对象锁的临界资源时，将会处于阻塞状态，但当一个线程再次请求自己已经持有对象锁的临界资源时，可直接调用，这种情况属于重入锁。

可重入性最大的作用是避免死锁。

synchronized锁的原理

由之前文章《JVM-Java Virtual Machine(Java虚拟机)》，在JVM中，对象在内存中分为三块区域：对象头，实例数据和对齐填充。

对象头：

Mark Word，用于存储对象自身运行时的数据，如哈希码(Hash Code)，GC分代年龄，锁状态标志，偏向线程ID、偏向时间戳等信息，它会根据对象的状态复用自己的存储空间。它是实现偏向锁和轻量级锁的关键。
类型指针，对象会指向它的类的元数据的指针，虚拟机通过这个指针确定这个对象是哪个类的实例。
Array length，如果对象是一个数组，还必须记录数组长度的数据。

1、同步代码块原理

为了看底层实现原理，使用javap -v xxx.class命令进行反编译。

这是使用同步代码块被标志的地方就是刚刚提到的对象头，它会关联一个monitor对象，也就是括号括起来的对象。

1、monitorenter，如果当前monitor的进入数为0时，线程就会进入monitor，并且把进入数+1，那么该线程就是monitor的拥有者(owner)。

2、如果该线程已经是monitor的拥有者，又重新进入，就会把进入数再次+1。也就是可重入性。

3、monitorexit，执行monitorexit的线程必须是monitor的拥有者，指令执行后，monitor的进入数减1，如果减1后进入数为0，则该线程会退出monitor。其他被阻塞的线程就可以尝试去获取monitor的所有权。

总的来说，synchronized的底层原理是通过monitor对象来完成的。

2、同步方法原理

synchronized修饰的实例方法：

public synchronized void hello(){System.out.println("hello world");
}

javap -v反编译：

可以看到多了一个标志位ACC_SYNCHRONIZED，作用就是一旦执行到这个方法时，就会先判断是否有标志位，如果有这个标志位，就会先尝试获取monitor，获取成功才能执行方法，方法执行完成后再释放monitor。在方法执行期间，其他线程都无法获取同一个monitor。归根结底还是对monitor对象的争夺。

synchronized锁的优化

JDK1.5之前，synchronized是属于重量级锁，重量级需要依赖于底层操作系统的互斥锁（Mutex Lock）实现的，然后操作系统需要切换用户态和内核态，这种切换的消耗非常大，所以性能相对来说并不好。

JDK1.6后开始对synchronized进行优化，增加了锁消除、锁粗化、偏向锁、轻量级锁、自适应的CAS自旋这些优化策略。锁的等级从 无锁->偏向锁->轻量级锁->重量级锁 逐步升级，并且是单向的，不会出现锁的降级。

锁消除

锁消除是一种锁的优化策略，这种优化更加彻底，在JVM编译时，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。 这种优化策略可以消除没有必要的锁，节省毫无意义的请求锁时间。比如StringBuffer的append()方法，就是使用synchronized进行加锁的。

public synchronized StringBuffer append(String str) {toStringCache = null;super.append(str);return this;
}

如果在实例方法中StringBuffer作为局部变量使用append()方法，StringBuffer是不可能存在共享资源竞争的，因此会自动将其锁消除。

public String add(String s1, String s2) {//sb属于不可能共享的资源,JVM会自动消除内部的锁StringBuffer sb = new StringBuffer();sb.append(s1).append(s2);return sb.toString();
}

锁粗化

如果一系列的连续加锁解锁操作，可能会导致不必要的性能损耗，所以引入锁粗话的概念。意思是将多个连续加锁、解锁的操作连接在一起，扩展成为一个范围更大的锁。

偏向锁

JDK的开发人员经过研究发现，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。也就是说在很多时候我们是假设有多线程的场景，但是实际上却是单线程的。所以偏向锁是在单线程执行代码块时使用的机制。

原理是什么呢，我们前面提到锁的争夺实际上是Monitor对象的争夺，还有每个对象都有一个对象头，对象头是由Mark Word和Klass pointer 组成的。一旦有线程持有了这个锁对象，标志位修改为1，就进入偏向模式，同时会把这个线程的ID记录在对象的Mark Word中，当同一个线程再次进入时，就不再进行同步操作，这样就省去了大量的锁申请的操作，从而提高了性能。

自适应的CAS自旋

上面说过，当线程没有获得monitor对象的所有权时，就会进入阻塞，当持有锁的线程释放了锁，当前线程才可以再去竞争锁，但是如果按照这样的规则，就会浪费大量的性能在阻塞和唤醒的切换上，特别是线程占用锁的时间很短的话。

为了避免阻塞和唤醒的切换，在没有获得锁的时候就不进入阻塞，而是不断地循环检测锁是否被释放，这就是自旋。在占用锁的时间短的情况下，自旋锁表现的性能是很高的。

但是，由于线程是一直在循环检测锁的状态，就会占用cpu资源，如果线程占用锁的时间比较长，那么自旋的次数就会变多，占用cpu时间变长导致性能变差。那自旋次数设置多少比较合适呢？JDK1.6引入了自适应的CAS自旋。

自适应性自旋锁的意思是，自旋的次数不是固定的，而是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定。

轻量级锁

如果获取偏向锁失败，也就是有多个线程竞争锁的话，就会升级为JDK1.6引入的轻量级锁。

轻量级锁的获取流程：

首先判断当前对象是否处于一个无锁的状态，如果是，Java虚拟机将在当前线程的栈帧建立一个锁记录（Lock Record），用于存储对象目前的Mark Word的拷贝，如图所示。
将对象的Mark Word复制到栈帧中的Lock Record中，并将Lock Record中的owner指向当前对象，并使用CAS操作 将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针，如图所示。

如果第二步执行成功，表示该线程获得了这个对象的锁，将对象Mark Word中锁的标志位设置为“00”，执行同步代码块。
如果第二步未执行成功，需要先判断当前对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果是，表示当前线程已经持有了当前对象的锁，这是一次重入，直接执行同步代码块。如果不是表示多个线程存在竞争，该线程通过自旋尝试获得锁，即重复步骤2，自旋超过一定次数，轻量级锁升级为重量级锁，也就是把线程阻塞起来，等待唤醒。

轻量级锁的解锁：

轻量级的解锁同样是通过CAS操作进行的，线程会通过CAS操作将Lock Record中的Mark Word替换回来。如果成功表示没有竞争发生，成功释放锁，恢复到无锁的状态；如果失败，表示当前锁存在竞争，升级为重量级锁。

一句话总结轻量级锁的原理：将对象的Mark Word复制到当前线程的Lock Record中，并将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针。

重量级锁

重量级锁就是一个悲观锁了，但是其实不是最坏的锁，因为升级到重量级锁，是因为线程占用锁的时间长(自旋获取失败)，锁竞争激烈的场景，在这种情况下，让线程进入阻塞状态，进入阻塞队列，能减少cpu消耗。

小结

偏向锁：适用于单线程执行。
轻量级锁：适用于锁竞争较不激烈的情况。
重量级锁：适用于锁竞争激烈的情况。

学习synchronized关键字的底层原理不是钻牛角尖，其实是从底层原理上知道了synchronized在什么场景使用会有什么样的效果，我们都知道没有最好的技术，只有最适合的技术，所以说在不同的场景使用最佳的解决方案才是最好的技术。

synchronized在不同的场景会自动选择不同的锁，这样一个升级锁的策略就体现出了这点。

参考文章：
synchronized底层原理是什么？

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