synchronized 关键字

特点

在java中，每一个对象有且仅有一个同步锁。这也意味着，同步锁是依赖于对象而存在。
当我们调用某对象的synchronized方法时，就获取了该对象的同步锁
不同线程对同步锁的访问是互斥的

规则

当一个线程访问“某对象”的“synchronized方法”或者“synchronized代码块”时，其他线程

对“该对象”的该“synchronized方法”或者“synchronized代码块”的访问将被阻塞。
仍然可以访问“该对象”的非同步代码块
对“该对象”的其他的“synchronized方法”或者“synchronized代码块”的访问将被阻塞

用法

修饰代码块

同步语句块，其作用的范围是大括号{}括起来的代码，作用的对象是调用这个代码块的对象。（实例锁）

synchronized代码块可以更精确的控制冲突限制访问区域

class Test
{
    // 锁定当前对象
    public void method1() {
        synchronized(this) 
        {
            // todo
        }
    }
    
    //锁定指定对象obj
    public void method2(Object obj) {
        synchronized(obj)
        {
            // todo
        }
    }
    
    private byte[] lock = new byte[0];  // 特殊的instance变量
    //当没有明确的对象作为锁，只是想让一段代码同步时，可以创建一个特殊的对象来充当锁
    //说明：零长度的byte数组对象创建起来将比任何对象都经济――查看编译后的字节码：生成零长度的byte[]对象只需3条操作码，而Object lock = new Object()则需要7行操作码
    public void method3()
    {
       synchronized(lock) {
          // todo 同步代码块
       }
    }
}

修饰方法

synchronized修饰方法，作用范围为整个函数
synchronized关键字不能被继承，子类重写父类synchronized方法，想要同步需要添加synchronized关键字，或者调用父类同步方法
定义接口方法时不能使用synchronized关键字
构造方法不能使用synchronized关键字，可以用synchronized代码块来进行同步

用法：

public synchronized void method()
{
   // todo
}

//等同于
public void method()
{
   synchronized(this) {
      // todo
   }
}

修饰静态方法

synchronized修饰的静态方法锁定的是这个类的所有对象（全局锁）

用法：

1
2
3

public synchronized static void method() {
   // todo
}

实例锁

锁在某一个实例对象上。如果该类是单例，那么该锁也具有全局锁的概念。

实例锁对应的就是synchronized关键字。
全局锁

该锁针对的是对象对应的Class实例，而Class实例存于永久，无论实例多少个对象，那么线程都共享该锁。

全局锁对应的就是static synchronized（或者是锁在该类的class或者classloader对象上）

示例：

pulbic class Something {
    public synchronized void isSyncA(){}
    public synchronized void isSyncB(){}
    public static synchronized void cSyncA(){}
    public static synchronized void cSyncB(){}
}

假设，Something有两个实例x和y。分析下面4组表达式获取的锁的情况。

x.isSyncA()与x.isSyncB()

不能同时被访问。isSyncA() 和 isSyncB() 都是访问同一个对象(对象x)的同步锁

x.isSyncA()与y.isSyncA()

可以同时被访问。因为访问的不是同一个对象的同步锁，x.isSyncA()访问的是x的同步锁，而y.isSyncA()访问的是y的同步锁。

x.cSyncA()与y.cSyncB()

不能被同时访问。因为cSyncA()和cSyncB()都是static类型，x.cSyncA()相当于Something.isSyncA()，y.cSyncB()相当于Something.isSyncB()，因此它们共用一个同步锁，不能被同时反问。
x.isSyncA()与Something.cSyncA()

可以被同时访问。因为isSyncA()是实例方法，x.isSyncA()使用的是对象x的锁；而cSyncA()是静态方法，Something.cSyncA()可以理解对使用的是“类的锁”。因此，它们是可以被同时访问的。

修饰类

synchronized作用于类时，是给这个类加锁，类中所有对象用的是同一把锁

用法：

class ClassName {
   public void method() {
      synchronized(ClassName.class) {
         // todo
      }
   }
}

底层原理

字节码

synchronized 语句

对于synchronized语句当Java源代码被javac编译成bytecode的时候，会在同步块的入口位置和退出位置分别插入monitorenter和monitorexit字节码指令，这两个指令通过一个reference类型的参数来指明要锁定和解锁的对象

monitorenter监视器准入指令

每个对象有一个监视器锁（monitor）。当monitor被占用时就会处于锁定状态，线程执行monitorenter指令时尝试获取monitor的所有权，过程如下：

如果monitor的进入数为0，则该线程进入monitor，然后将进入数设置为1，该线程即为monitor的所有者。
如果线程已经占有该monitor，只是重新进入，则进入monitor的进入数加1.
如果其他线程已经占用了monitor，则该线程进入阻塞状态，直到monitor的进入数为0，再重新尝试获取monitor的所有权。

monitorexit监视器释放指令

执行monitorexit的线程必须是object所对应的monitor的所有者。
指令执行时，monitor的进入数减1，如果减1后进入数为0，那线程退出monitor，不再是这个monitor的所有者。其他被这个monitor阻塞的线程可以尝试去获取这个 monitor 的所有权。

monitorenter和monitorexit依赖于底层操作系统的Mutex Lock，而使用互斥锁需要将当前线程挂起，并从用户态切换到内核态来执行，代价高昂

synchronized 方法

synchronized方法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

对象头

HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为三块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。

HotSpot虚拟机的对象头(Object Header)包括两部分信息:

第一部分”Mark Word“:用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等等.

第二部分”Klass Pointer“：对象指向它的类的元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。(数组，对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据，因为虚拟机可以通过普通Java对象的元数据信息确定Java对象的大小，但是从数组的元数据中无法确定数组的大小。 )

32位HotSpot虚拟机对象头（Mark Word）：

1530861009468

锁优化

适应性自旋

使用互斥同步，挂起线程和恢复线程的操作需要转入内核态完成，对系统的并发性能影响较大。可以使请求锁的线程等待，不放弃处理器的执行时间，执行忙循环（自旋），看持有锁的线程是否很快释放锁；当尝试一定的次数后如果仍然没有成功则调用与该monitor关联的semaphore（即互斥锁）进入到阻塞状态

如果锁被占用的时间很长，自旋的线程将白白消耗处理器资源，带来性能上的浪费，自旋有一定的限定次数

自适应自旋锁：自旋时间不固定，由前一次在同一个锁上的自旋时间和锁的拥有者的状态来决定

锁粗化

减少不必要的紧连在一起的unlock，lock操作，将多个连续的锁扩展成一个范围更大的锁

锁消除

锁消除指虚拟机JIT编译器在运行时，对一些代码上要求同步，但检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行消除

依据于运行时JIT编译器的逃逸分析技术

轻量级锁

在进入同步块的时候，如果对象没有被锁定，在当前线程的栈帧中建立一个锁记录的空间（Monitor Record列表），用于存储对象的Mark Word（称为Displaced Mark Word）。虚拟机使用CAS操作将对象的Mark Word更新为指向Monitor Record的指针，更新成功则线程拥有该对象的锁；更新失败，如果对象Mark Word不是指向当前线程的栈帧，则膨胀为重量级锁，Mark Word存储的就是指向重量级锁的指针

Monitor Record 结构：

Owner：初始时为NULL表示当前没有任何线程拥有该monitor record，当线程成功拥有该锁后保存线程唯一标识，当锁被释放时又设置为NULL；
EntryQ: 关联一个系统互斥锁（semaphore），阻塞所有试图锁住monitor record失败的线程。
RcThis: 表示blocked或waiting在该monitor record上的所有线程的个数。
Nest: 用来实现重入锁的计数。
HashCode: 保存从对象头拷贝过来的HashCode值（可能还包含GC age）。
Candidate: 用来避免不必要的阻塞或等待线程唤醒，因为每一次只有一个线程能够成功拥有锁，如果每次前一个释放锁的线程唤醒所有正在阻塞或等待的线程，会引起不必要的上下文切换（从阻塞到就绪然后因为竞争锁失败又被阻塞）从而导致性能严重下降。Candidate只有两种可能的值0表示没有需要唤醒的线程1表示要唤醒一个继任线程来竞争锁。