前言：为什么使用synchronized？

在多线程编程中，一个资源会被多个线程共享，为了避免因为资源抢占导致数据错乱，所以要对线程进行同步。因此，引入synchronized关键字。

以下，来探究下synchronized的使用和底层原理。

一、synchronized的作用

1.1原子性

原子性：指一个操作或多个操作，要么全部执行，要么全部不执行。

java中，赋值和读取值的操作都是原子的。

但是i++，i+=1等操作不是原子的，因为这些操作在底层是不是一个操作，而是被分成了读取，计算，赋值几步操作，所以保证这几步的原子性，才能保证i++的原子性。

注意：synchronized 可以保证原子性，但是volatile不能保证原子性。

1.2 可见性

可见性：指多线程访问同一资源时，该资源对所有线程都是可见的。

synchronized对一个资源加锁之后，在释放锁之前会将变量的修改刷新到主内存中，保证资源的可见的。

1.3 有序性

有序性：指程序中的代码会按照一定的顺序执行。

在java中，有编译器重排，指令级重排以及系统重排，这些指令重排会使指令实际执行的顺序与实际可见的顺序不同。

synchronized保证了指令不会被重排，按照显示的顺序执行。

注：synchronized是可重入的。即一个线程已经获取该资源的synchronized锁时，还可以再次获得该资源的锁。

二、synchronized的作用范围

synchronized关键字可以修饰静态方法，实例函数，代码块。

public class SyncDemo {
    // 修饰静态方法，对类加锁
    public static synchronized void test1(){
    }

    // 修饰实例方法，对实例对象加锁
    public synchronized void test2(){
        //修饰代码块，对类加锁
        synchronized (SyncDemo.class){
        }
    }
    public void test3(){
        // 修饰代码块，对当前对象，即实例方法加锁
        synchronized (this){
        }
    }

    public static void main(String[] args) {

    }
}

2.1 修饰静态方法

由类加载机制可以知道，静态方法是和类同时加载的，归属于类。所以当synchronized修饰静态方法时，是对类加锁。

2.2 修饰实例方法

synchronized修饰实例方法 ，即对当前实例方法加锁。

2.3 修饰代码块

如上代码：修饰的第一个代码块是对实例方法加锁，修饰的第二个代码块是对类加锁。所以修饰代码块时，是可以选择加锁对象的。

三、synchronized底层原理

我们将上述代码反编译成字节码，看看底层实现原理。

从class字节码文件可以看出，一个通过方法flags标志，一个是通过monitorenter和monitorexit指令。

3.1 修饰实例方法

可以看出，synchronized修饰实例方法时，是在方法的flags里面加了一个ACC_SYNCHRONIZED标志。

此标志表示JVM这是一个同步方法，该线程进入该方法时，需要先获取对应的锁，且锁计数器加1，释放时减1.

3.2 修饰代码块

从反编译的字节码可以看出，同步代码块是由monitorexit指令进入，然后monitorexit释放锁。

但是截图中可以看出，有两个monitorexit，这里为什么有两个monitorexit？

第二个monitorexit是来处理异常的。正常情况下，第一个monitorexit之后会执行goto指令，而该指令的返回是后面的return。正常情况下只会执行第一个monitorexit释放锁，然后返回。

而如果执行中发生了异常，第二个monitorexit起作用了，它由编译器自动生成，发生异常时处理异常，然后释放锁的。

四、synchronized锁的底层原理实现

上面我们了解了JVM中如何实现synchronized锁的，但是JVM中如何对对象加锁的呢？

JVM中，对象由三部分构成：对象头，实例数据，对齐填充。

先简单介绍下实例数据和对齐填充：
实例数据：存放类的属性数据信息，包括父类的属性信息。如果是数组实例，还包括数组的长度。
对齐填充：不是必需部分，是虚拟机要求对象地址是8字节的整数倍，所以仅仅是用来字节对齐。
对象头：包括两个部分，Mark Word和Class Metadata Address。Mark Word存储对象的hashCode，锁信息，和分代年龄等信息；而后者记录指针指向对象的类元信息，即确定对象是哪个类的实例。

锁的状态
额外说明下锁的状态，在JDK1.6之前，锁只有无锁和重量级锁两个状态。在JDK1.6之后，对synchronized锁进行了优化，锁状态有四个：无锁状态，偏向锁，轻量级锁，重量级锁。

五、synchronized锁的优化

因为JDK1.6之前，只有重量级锁，所以使用synchronized会造成很大的消耗，所以之后，对synchronized锁进行了优化。

5.1 偏向锁

针对使用了synchronized锁，但是实际操作时，不存在锁竞争时，会加上偏向锁。头对象会标记偏向锁的状态位，见上图。

这样就减少了同一线程获取锁的代价。

5.2 轻量级锁

由偏向锁升级而来，当存在第二个锁申请同一个锁对象时，偏向锁就会升级为轻量级锁。

5.3 重量级锁

由轻量级锁升级而来，当同一时间有多个线程竞争锁时，锁会倍升级为重量级锁。

5.4 锁升级

锁的状态会一步步升级，无锁——>偏向锁——> 轻量级锁——> 重量级锁。而且锁的升级是不可逆的。即升级到轻量级锁，重量级锁，是无法自动恢复到无锁，偏向锁的状态的。

5.5 锁消除

锁消除是JVM另一种锁优化机制，指编译时，对上下文的分析，去除不可能存在竞争的锁。

5.6 锁粗化

锁粗化也是JVM的一种锁优化机制，通过扩大锁的范围，避免反复的加锁和释放锁。