synchronized

三种应用方式

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。

synchronized 的优化

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。锁的升级是单向的。

偏向锁

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。对于没有锁竞争的场合，偏向锁有很好的优化效果。

锁升级过程

• 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；
  • 如果不一致（其他线程，如线程2要竞争锁对象，而偏向锁还是存储的线程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；
    • 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
      • 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。

轻量级锁

轻量级锁适合的场景是线程交替执行同步块的场合。竞争锁对象的线程不多，而且线程持有锁的时间也不长。自旋这等待锁释放。

锁升级过程

1. 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
2. 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
3. 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。

锁粗化

将多个连续的加锁、解锁操作连接在一起，扩展成一个范围更大的锁，避免频繁的加锁解锁操作。

锁消除

JVM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。

JAVA对象头

synchronized 使用的锁对象是存储在 Java 对象头里。

在线程执行同步代码块之前，JVM会现在当前线程的栈桢中创建用于存储锁记录的空间，并将锁对象头中的 MarkWord 信息复制到锁记录中（ Displaced Mard Word）。然后线程尝试使用 CAS 将对象头中的 MarkWord 替换为指向锁记录的指针。

monitor

synchronized 通过 monitorenter 和 monitorexit 实现。

monitor竞争

1. 通过CAS尝试把monitor的_owner字段设置为当前线程
2. 如果设置之前的_owner指向当前线程，说明当前线程再次进入monitor，即重入锁，执行_recursions ++ ，记录重入的次数
3. 若之前_owner指向的BasicLock在当前线程栈上，说明当前线程是第一次进入该monitor，设置_recursions为1，_owner为当前线程，该线程成功获得锁并返回
4. 如果获取锁失败，则等待锁的释放

monitor等待

1. 当前线程被封装成ObjectWaiter对象node
2. 在循环中，通过CAS把node节点添加到链表
3. 通过自旋尝试获取锁，如果还是没有获取到锁，则通过park将当前线程挂起，等待被唤醒

ObjectMonitor

进入wait/notify方法之前，要获取synchronized锁。

ObjectMonitor对象中有两个队列：_WaitSet 和 _EntryList，用来保存ObjectWaiter对象列表；_owner指向获得ObjectMonitor对象的线程。

• _WaitSet ：处于wait状态的线程
• _EntryList：处于等待锁block状态的线程

object.wait()

1. 将当前线程封装成ObjectWaiter对象node
2. 将node添加到_WaitSet列表
3. 释放当前的ObjectMonitor对象，这样其它竞争线程就可以获取该ObjectMonitor对象
4. 最后底层的park方法会挂起线程

object.notify()

1. 如果当前_WaitSet为空，即没有正在等待的线程，则直接返回
2. 获取_WaitSet列表中的第一个ObjectWaiter节点
3. 根据不同的策略，将取出来的ObjectWaiter节点，加入到_EntryList或自旋

流程

1. 多个线程monitorenter时，只有一个可以获取lock对象关联的monitor，和monitor建立关联。
2. 获取失败的线程加锁失败，进入等待队列。
3. 获得monitor的线程执行wai时，将当前线程放入wait set，等待被唤醒，并放弃lock对象上的所有同步声明。
4. notify方法会选择wait set中任意一个线程唤醒，notifyAll方法会唤醒monitor的wait set中所有线程。