synchronized

synchronized关键字用于为Java对象、方法、代码块提供线程安全的操作。synchronized属于独占式的悲观锁，同时也属于可重入锁。

使用synchronized修饰对象时，同一时刻只能有一个线程对该对象进行访问；

使用synchronized修饰方法、代码块时，同一个时刻只能有一个线程执行该方法或代码块；

Java中的每个对象都有一个monitor对象，加锁就是在竞争monitor对象。对代码块加锁是通过在前后分别加上monitorenter和monitorexit指令实现的，对方法是否加锁是通过一个标志位来判断的。

synchronized的作用范围

• 用synchronized修饰成员变量或非静态方法，锁的是对象的实例，即this对象

• 用synchronized修饰静态方法，锁的是Class实例，因为静态方法是属于Class对象的

• 用synchronized修饰代码块，锁的是所有代码快（）中配置的对象

轻量级锁加锁流程：

• 当Thread-1过来获取锁时，就会在当前的线程的栈帧中创建一个锁记录（Lock Record）

• 让锁记录中的Object Reference指向锁对象（Object），并尝试用CAS替换掉Object的Mark Word，将Mark Word的值存入锁记录

• 如果CAS替换成功，就将Mark Word中的HashCode、Age等信息替换成锁记录的地址，并且将锁标志位修改为00（表示轻量级锁），表示由改线程给对象加锁

• 如果CAS替换失败，有两种情况：

  • 如果是当前线程持有锁，那就进行锁重入，

    • 在栈帧中添加一个锁记录作为重入的计数，然后让锁记录中的Object Reference指向Object，

    • 进行CAS替换Mark Word，但是这次会失败，因为锁已经被自己拿到了，所以新添加的锁记录中就不存放Mark Word信息了，而是null

    • 解锁的时候，如果锁记录中的Mark Word为null，表明有重入，这个时候就把锁记录清掉，表示重入计数减1，到了最后一个锁记录的时候，Mark Word不为null，就用CAS将栈帧中的Mark Word还原回去Object的Mark Word，然后将锁标志位修改为01

    • 如果解锁的过程中失败了，说明轻量级锁进行了锁膨胀升级为重量级锁，这个时候进入重量级锁解锁流程

  • 如果是其他线程持有锁，这表明有竞争，就会进入锁膨胀过程

锁膨胀

当Thread-2进行轻量级加锁时，Thread-1已经对该对象加了轻量级锁了，这个时候Thread-1加轻量级锁失败，就进入锁膨胀流程

• 首先为Object申请Monitor锁，让Object中的Mark Word指向重量级锁（Monitor）地址，锁标志位修改为10

• 然后Thread-2就进入Monitor的EntryListBLOCKED（阻塞队列），Monitor的Owner就指向Thread-1

• 当Thread-1退出同步代码块进行解锁时，用CAS将Mark Word的值恢复给Object，会发现失败了，说明轻量级锁已经升级为了重量级锁了，这个时候就进行重量级锁的解锁过程：

  • 获取Object中的Mark Word的Monitor地址，并找到Monitor对象

  • 设置Monitor中的Owner为null，唤醒EntryList中阻塞的线程Thread-2

偏向锁

轻量级锁在重入的时候，每次都要进行CAS操作，会消耗CPU性能。

在Java 6中引入了偏向锁来做进一步的优化：只有第一次使用CAS的时候将线程ID设置到对象头的Mark Word中，之后重入的时候，发现线程ID是自己就表示是自己，不用重新CAS。

偏向锁流程：

• 一个锁对象刚刚开始创建的时候，没有任何线程来访问它，它是可偏向的，它现在认为只可能有一个线程来访问它，所以当第一个线程来访问他的时候，它会偏向这个线程。此时线程状态为无锁状态，锁标志位为 01，此时Mark Word如下图：

• 当一个线程（线程 A）来获取锁的时，会首先检查所标志位，此时锁标志位为 01，然后检查是否为偏向锁，此时不为偏向锁，所以当前线程会修改对象头状态为偏向锁，同时将对象头中的 ThreadID 改成自己的 Thread ID

• 如果再有一个线程（线程 B）过来，此时锁状态为偏向锁，该线程会检查 Mark Word 中记录的线程 ID 是否为自己的线程 ID，如果是，则获取偏向锁，执行同步代码块。如果不是，则利用 CAS 尝试替换 Mark Word 中的 Thread ID，成功，表示该线程（线程 B）获取偏向锁，执行同步代码块，此时 Mark Word 如下图：

• 如果CAS失败，说明当前存在竞争情况，进行偏向锁撤销流程（需要注意的是：偏向锁的释放并不是主动，而是被动的，执行同步代码块后并不会主动释放偏向锁，而是等待其他线程来竞争才会释放锁）

• 撤销偏向锁的操作需要等到全局安全点才会执行，然后暂停持有偏向锁的线程，同时检查该线程的状态：

  • 如果该线程不处于活动状态或者已经退出同步代码块，则设置为无锁状态（线程 ID 为空，是否为偏向锁为 0 ，锁标志位为01）重新偏向，同时恢复该线程

  • 若该线程活着，则会遍历该线程栈帧中的锁记录，检查锁记录的使用情况，如果仍然需要持有偏向锁，则撤销偏向锁，升级为轻量级锁

  • 在升级为轻量级锁之前，持有偏向锁的线程（线程 A）是暂停的，JVM 首先会在原持有偏向锁的线程（线程 A）的栈中创建一个名为锁记录的空间（Lock Record），用于存放锁对象目前的 Mark Word 的拷贝，然后拷贝对象头中的 Mark Word 到原持有偏向锁的线程（线程 A）的锁记录中（官方称之为 Displaced Mark Word ），这时线程 A 获取轻量级锁，此时 Mark Word 的锁标志位为 00，指向锁记录的指针指向线程 A 的锁记录地址