Synchronized

Synchronized是Java中解决并发问题的一种最常用的方法，也是最简单的一种方法。

作用：

1. 原子性：确保线程互斥的访问同步代码；
2. 可见性：保证共享变量的修改能够及时可见，其实是通过Java内存模型中的 “对一个变量unlock操作之前，必须要同步到主内存中；如果对一个变量进行lock操作，则将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用此变量前，需要重新从主内存中load操作或assign操作初始化变量值” 来保证的；
3. 有序性：有效解决重排序问题，即 “一个unlock操作先行发生(happen-before)于后面对同一个锁的lock操作”；

用法：

1. 当synchronized作用在实例方法时，监视器锁（monitor）便是对象实例（this）；
2. 当synchronized作用在静态方法时，监视器锁（monitor）便是对象的Class实例，因为Class数据存在于永久代，因此静态方法锁相当于该类的一个全局锁；
3. 当synchronized作用在某一个对象实例时，监视器锁（monitor）便是括号括起来的对象实例；

同步原理

在JVM中，对象在内存中的布局分为三块区域：对象头、实例数据和对齐填充。Synchronized用的锁就是存在Java对象头里。

 

1. 实例数据：存放类的属性数据信息，包括父类的属性信息；
2. 对齐填充：由于虚拟机要求 对象起始地址必须是8字节的整数倍。填充数据不是必须存在的，仅仅是为了字节对齐；
3. 对象头：Java对象头一般占有2个机器码（在32位虚拟机中，1个机器码等于4字节，也就是32bit，在64位虚拟机中，1个机器码是8个字节，也就是64bit），但是 如果对象是数组类型，则需要3个机器码，因为JVM虚拟机可以通过Java对象的元数据信息确定Java对象的大小，但是无法从数组的元数据来确认数组的大小，所以用一块来记录数组长度。）

Hotspot虚拟机的对象头主要包括两部分数据：Mark Word（标记字段）、Class Pointer（类型指针）。其中 Class Pointer是对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例，Mark Word用于存储对象自身的运行时数据，它是实现轻量级锁和偏向锁的关键。

锁状态	25 bit	31 bit	1 bit	4 bit 分代年龄	1 bit 偏向锁	2 bit 锁标记位
无锁	unused	hashcode	unused		0	01

 

 

 

 

锁状态	54 bit	2 bit	1 bit	4 bit 分代年龄	1 bit 偏向锁	2 bit 锁标记位
偏向锁	当前线程指针	Epoch	unused		1	01

 

 

 

锁状态	62 bit					2 bit
轻量级锁	指向线程栈中 Lock Record 的指针					00
重量级锁	指向互斥量（重量级锁）指针					10
GC标记信息	CMS过程用到的标记信息					11

 

 

 

分代年龄：

　　分代年龄占4位，即最大值为15，所以新生代中的对象在eden区和survior区进行15次转移，当达到最大值时，再转移到老年代

synchronized的优化

1 锁膨胀

上面讲到锁有四种状态，并且会因实际情况进行膨胀升级，其膨胀方向是：无锁——>偏向锁——>轻量级锁——>重量级锁，并且膨胀方向不可逆。

1.无锁

也就是代表对象的monitor对象并没有被线程所持有，代表的是对象处于无锁状态。偏向锁位为0，锁标志位为01。

2.偏向锁

偏向锁是在单线程执行代码块时使用的机制，即是否为偏向锁位为1，锁标识位为01。

1. 检测Mark Word是否为可偏向状态，即是否为偏向锁1，锁标识位为01；
2. 若为可偏向状态，则测试线程ID是否为当前线程ID，如果是，则执行步骤（5），否则执行步骤（3）；
3. 如果测试线程ID不为当前线程ID，则通过CAS操作竞争锁，竞争成功，则将Mark Word的线程ID替换为当前线程ID，否则执行线程（4）；
4. 通过CAS竞争锁失败，证明当前存在多线程竞争情况，当到达全局安全点，获得偏向锁的线程被挂起，偏向锁升级为轻量级锁，然后被阻塞在安全点的线程继续往下执行同步代码块；
5. 执行同步操作；

3.轻量级锁

当存在超过一个线程通过CAS获取同一个锁时，会发生偏向锁的撤销，偏向锁撤销后会对象可能处于两种状态：锁标志位为00。

　　一种是不可偏向的无锁状态，已经获得偏向锁的线程已经退出了同步操作，这时候会撤销偏向锁，升级成轻量级锁。

　　一种是不可偏向的已锁状态，已经获得偏向锁的线程正在进行同步操作，这时候会升级成轻量级锁并被原持有锁的线程获得锁。

1. 在线程进入同步块时，如果同步对象锁状态为无锁状态（锁标志位为“01”状态，是否为偏向锁为“0”），虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝。

2. 拷贝对象头中的Mark Word复制到锁记录（Lock Record）中。

3. 拷贝成功后，虚拟机将使用CAS操作尝试将对象Mark Word中的Lock Word更新为指向当前线程Lock Record的指针，并将Lock record里的owner指针指向object mark word。如果更新成功，则执行步骤（4），否则执行步骤（5）。

4. 如果这个更新动作成功了，那么当前线程就拥有了该对象的锁，并且对象Mark Word的锁标志位设置为“00”，即表示此对象处于轻量级锁定状态。

5. 如果这个更新操作失败了，虚拟机首先会检查对象Mark Word中的Lock Word是否指向当前线程的栈帧，如果是，就说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那就可以直接进入同步块继续执行。否则说明多个线程竞争锁，进入自旋执行（3），若自旋结束时仍未获得锁，轻量级锁就要膨胀为重量级锁，锁标志的状态值变为“10”，Mark Word中存储的就是指向重量级锁（互斥量）的指针，当前线程以及后面等待锁的线程也要进入阻塞状态。

 

4.重量级锁

当多个线程通过CAS自旋 修改 Mark Word来获取同一个锁时将会引起锁膨胀，就会升级为重量级锁，锁标志位为10。

 

优缺点：