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synchronized
在Java中我们经常使用synchronized关键字实现线程安全，在深入理解它的作用和原理之前，我们先要了解并发编程中的几个概念。
概念
线程同步
线程同步是指多个线程并发访问共享数据时，保证任意时刻该数据只能被一个线程进行访问，通常可以用互斥锁、信号量等方式实现同步。synchronized关键字就是用互斥的方法实现线程同步，互斥是指任意时刻只有一个线程可以执行某段代码。
可重入锁
可重入指的是同一把锁可以被同一个线程多次获取。通常的实现是锁的内部有一个计数器，当一个线程获取锁时计数器就加1同时记录锁的拥有者，解锁时减1，计数器减为0时锁就被释放。
重入的一个好处是简化了并发代码的开发，下面看一个例子：
某个对象有a()，b()两个方法，它们都被synchronized修饰，因此在执行前都会先去获取该对象上的锁，如果锁是不可重入的，那么当a()方法中调用b()时发现锁已经被获取了，因此造成了死锁，而可重入锁避免了这个问题。
private synchronized void a() {
System.out.println("method A");
b();
}
private synchronized void b() {
System.out.println("method B");
}
相反的，一把锁只能被线程获取一次，那么它就是不可重入锁。
公平锁
公平锁是指当多个线程等待一把锁时，按照申请锁的先后顺序依次获得锁，先申请的优先线程当锁被释放时可以优先获得这把锁；非公平锁则相反，当锁被释放时任何一个等待锁的线程都有机会获得锁。synchronized是非公平的。
原理
我们先看一段代码：
public void test() {
synchronized (this) {
System.out.println("test");
}
}
上述代码中，当有多个线程执行到synchronized这一句时，同一时刻只有一个线程能进入下面的代码块中，其余线程会一直阻塞直到之前的线程退出同步块。
下面是对这段代码进行编译后再用javap工具打印出的字节码。
public void test();
Code:
0: aload_0
1: dup
2: astore_1
3: monitorenter
4: getstatic #2 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
7: ldc #3 // String test
9: invokevirtual #4 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
12: aload_1
13: monitorexit
14: goto 22
17: astore_2
18: aload_1
19: monitorexit
20: aload_2
21: athrow
22: return
我们可以看到synchronized代码块的首尾加上了monitorenter和monitorexit指令。
在JVM中每个对象都有一个与之对应的monitor，当对象的monitor被占用时就表示对象已经就其它线程占用，每个monitor拥有一个计数器，如果被同一个线程多次获取，那么就把计数器加上1，如果被线程释放，那么就把计数器减去1，相当于是一把可重入锁。当JVM执行monitorenter指令时就会去尝试获取这把锁，当执行monitorexit指令时就把锁的计数器减去1，如果减为0，那么就释放。
上面我们说只有对象才有对应的monitor，而基本类型不属于对象，因此以下代码是不能通过编译的。
public void test() {
int n = 0;
synchronized (n) {
System.out.println("test");
}
}
锁的优化
当多个线程同时到达synchronized块时，只有一个线程可以获得monitor对象，其余线程会被阻塞，由于Java的线程是直接映射到操作系统的原生线程上的，因此阻塞或唤醒一个线程需要从用户态切到内核态，由操作系统帮助完成。用户态和内核态之间的转换需要临时保存当前系统的一些状态，比如CPU寄存器的值，堆栈信息等，以便未来当线程被唤醒后可以继续执行，这一过程需要耗费较多的CPU时间，我们把这一方式称为重量级锁。
JVM对此进行了优化，不会直接使用重量级锁，而是采取多种优化机制，下面一一介绍。
锁升级
处于性能考虑，synchronized并不会直接使用重量级锁，而是有一个锁升级的过程：从偏向锁到轻量级锁，再到重量级锁。每一级锁比上一级消耗更多的资源。
Mark Word
在了解锁升级之前，我们需要对JVM中对象的内存布局有一定的了解。一个Java对象主要分为3个部分：对象头、对象本身的数据以及用来对齐填充的数据，其中对象头又可分为Mark Word、指向方法区中类型数据的指针，如果是数组对象，那么还有额外的长度字段。
Mark Word是JVM实现轻量级锁的关键，包含哈希码、GC分代年龄等数据，这部分数据的长度是32位或64位（取决于虚拟机是32位或64位）。Mark Word中存储的内容不是固定的，它会根据长度为2的标志位决定当前存储的内容，如下图所示。
偏向锁
偏向锁应对的场景：不存在锁竞争，至始至终只有一个线程使用这把锁。
偏向锁的字面意思是这把锁偏向于第一个获得它的线程。当锁对象第一次被线程获取时，线程会通过CAS把线程的ID记录在Mark Word中，如果设置成功，那么该线程就持有了这个偏向锁，以后再进入该锁相关的同步块时不用再进行任何同步操作。如果发生了竞争，根据锁对象目前是否处于被锁定的状态，JVM会撤销锁对象的偏向把它恢复到未锁定状态或者升级为轻量级锁。
轻量级锁
当有第二个线程加入锁竞争时，偏向锁就升级为轻量级锁。轻量级锁是一把自旋锁。
轻量级锁应对的场景：对于大部分的锁，在整个同步周期内都不存在竞争。
当一个线程进入同步块后，如果锁对象处于未锁定状态，JVM会在当前线程的栈帧中建立一个称为Lock Record的空间用来存储锁对象当前的Mark Word的拷贝，该副本被称为Displaced Mark Word。
然后用CAS将锁对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针，如果更新成功，那么当前线程就持有该对象的锁，这时会更新对象头中标志位，让对象进入轻量级锁定状态。
如果更新失败，虚拟机会检查Mark Word是否是指向当前线程的栈帧，因为synchronized是可重入的，如果是，那么说明当前线程已经持有该对象的锁，可以直接进入同步块；否则说明锁已经被其它线程占用，这时只能升级为重量级锁，当前线程会修改锁对象的标志位并修改其Mark Word内容为指向重量级锁的指针，然后进入阻塞的状态，这时当轻量级锁持有者解锁时，使用CAS把Displaced Mark Word替换回去会发现更新失败，这是因为锁对象的Mark Word已经被修改了，持有轻量级锁的线程就会得知有其它线程在竞争，因此它需要释放锁并唤醒阻塞的线程。
注意，锁对象在堆中，而Lock Record在线程的栈帧中。
轻量级锁的核心思想是尽可能用CAS操作，减少重量级锁的阻塞和唤醒线程操作。
自旋锁
通常共享数据被一个线程锁定后，它的锁定状态只会持续较短的时候然后就会被释放。针对这种情况JVM引入了自旋锁的概念，自旋是指循环，自旋锁就是指通过循环的方式获得锁，伪代码如下。
for(; ; ){
// 尝试获取锁。
}
在实际中，自旋通常不是死循环，而是有一个循环次数的阈值，如果循环的次数超过了阈值依然没有获取锁，那么就按照重量级锁的步骤阻塞线程。在JDK1.6之后该阈值是JVM根据系统的运行状态动态设定的，如果上一次自旋成功获得了锁，那么JVM会认为本次自旋可以获得锁的概率较大，阈值也会相应提高；相反，如果以往对于某个锁通过自旋的方式很少能够成功获得，那么之后就可能直接跳过自旋的过程，避免浪费CPU时间。
自旋锁有以下几个缺点。
- 如果一个锁被占用的时间较长，那么其它线程的自旋浪费了CPU时间。
- 如果有大量的线程试图获得一把锁，那么就会有大量的线程进行自旋，比较消耗CPU资源。
重量级锁
重量级锁应对的场景：锁竞争比较激烈，锁持有时间较长。使用重量级锁后避免大量线程进行忙等（死循环）。
重量级锁依赖底层操作系统的互斥锁实现。当操作系统检测到重量级锁后会对加入锁竞争的线程进行阻塞，当阻塞或唤醒一个线程时涉及用户态到内核态的转换，因此开销较大。
锁消除
即时编译器在运行时会检查代码中的同步块是否有必要，如果没有同步的必要就会忽略同步操作直接执行，比如下面代码中的lock，它是一个局部变量，不会被其它线程访问到，因此不存在数据竞争的问题，不需要进行同步。
void test() {
Object lock = new Object();
for (; ; ) {
synchronized (lock) {
System.out.println("test");
}
}
}
锁粗化
如果JVM探测到一个区域内有零散的对某个对象的加解锁操作，JVM就会把同步的范围扩展到该区域的外部，比如下面这个例子。
void test() {
for (; ; ) {
synchronized (this) {
System.out.println("test");
}
}
}
锁粗化后的代码可能像下面这样。
void test() {
synchronized (this) {
for (; ; ) {
System.out.println("test");
}
}
}
特性
synchronized关键具有以下几种特性：
- 保证原子性
通过互斥保证了原子性，同一时刻只有一个线程可以进入同步块，因此执行过程中不会被其它线程所影响。
- 保证可见性
在进入同步块时，JVM会清空当前线程的工作内存然后从主存中把共享变量最新的副本拷贝到工作内存中；而在退出同步块前，JVM会把工作内存中对共享变量的修改刷新到主存中。通过这种方式保证了可见性。
- 保证有序性
synchronized的有序性和volatile的有序性的理解有所区别，volatile的有序性是指禁止指令重排序，而synchronized的有序性和as-if-serial语义有关，它的意思是无论如何重排序，单线程程序的执行结果都不能被改变，由于synchronized代码块一次只能被一个线程所访问，实际上就是单线程的，因此可以保证有序性。synchronized没有禁止指令重排序的作用。