synchronized原理

理解synchronized关键字之前，需要先理解下Java中的对象头。对象头由两部分组成：Mark Word：存储自身的运行时数据，例如 HashCode、GC 年龄、锁相关信息等内容。Klass Pointer：类型指针指向它的类元数据的指针，数组对象的对象头还有Array Length，表示数组长度。

对象头 对象

mark word被设计为非固定的数据结构，以便在极小的空间内存储更多的信息。

mark word结构

一般而言，synchronized使用的锁对象的对象头的mark word中会记录锁的信息（，对象头中记录的锁状态有如下几种：无锁 -> 偏向锁 ->轻量级锁 ->重量级锁（锁升级）。

偏向锁（偏向锁开启时，mark word中偏向状态为1）：

1、检查mark word中的线程id，

2、如果为空，则CAS替换当前线程id。如果替换成功，则取锁成功，如果获取失败，则撤销偏向锁。

3、如果不为空，则检查mark word中的线程id是否为当前线程，如果是，则加锁成功，否则撤销偏向锁。

注意：获得偏向锁的线程不会主动释放偏向锁。只有出现偏向锁竞争时，才会撤销偏向锁，偏向锁的撤销，需要等到全局安全点（在这个安全点上没有字节码执行），它会暂停拥有锁对象的线程，判断此线程状态，如果未退出同步代码块，则升级到轻量级锁状态，此线程继续持有锁。如果已退出同步代码块或为非活动状态，则将偏向锁释放。然后唤醒原持有偏向锁线程。

撤销偏向锁的几个特殊场景：

1.调用锁对象的hashcode方法，因为此时对象头中存了线程ID，无法存储hashcode

2.调用了wait、notify方法，只有重量级锁才可以wait/notify

轻量级锁：

当偏向锁有其他的线程来访问时，偏向锁就会升级为轻量级锁。

加锁：

1、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，然后拷贝对象头中的Mark Word复制到锁记录中。

2、线程尝试使用 CAS 将对象头中的 Mark Word 替换为指向 Lock Reocrd 的指针。如果成功则获得锁，如果失败则先检查对象的 Mark Word 是否指向当前线程的栈帧如果是则说明已经获取锁(锁重入，此时就会再添加一条Lock Record作为重入的计数)，否则说明其它线程竞争锁则膨胀为重量级锁。

解锁：使用 CAS 操作将 Mark Word 还原，执行成功则释放完成，执行失败则膨胀为重量级锁。

自旋优化

重量级锁竞争或重入的时候，还可以使用自旋来进行优化，如果当前线程自旋成功（即这时候持锁线程已经退出来同步块，释放了锁），这时候当前线程就可以避免阻塞。默认情况下自旋次数是 10 次用户可以使用参数 -XX : PreBlockSpin 来更改。

适应性自旋锁

JDK 6 引入了自适应自旋锁，意味着自旋的次数不在固定，而是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定。如果对于某个锁很少自旋成功那么以后有可能省略掉自旋过程以避免资源浪费。

重量级锁

重量级锁objectMonitor，主要有以下主要的部分，同步队列（cxq，entryList），等待队列（waitSet），监视器（owner）。

通过 CAS 尝试把 monitor 的 owner 字段设置为当前线程。如果设置之前的 owner 指向当前线程，说明当前线程再次入 monitor，即重入锁执行 recursions自增 , 记录重入的次数。如果当前线程是第一次进入该 monitor, 设置 recursions 为 1,owner 为当前线程，该线程成功获得锁并返回。

如果获取锁失败，当前线程被封装成 ObjectWaiter对象 node，for循环通过 CAS 把node节点push到cxq单向列表头部，因为同一时刻可能有多个线程把自己的node节点 push 到cxq列表中。

node 节点 push 到cxq列表之后，通过自旋尝试获取锁，如果还是没有获取到锁则通过 park 将当前线程挂起等待被唤醒。唤醒后再次自旋获取锁。

当某个持有锁的线程执行完同步代码块时，会释放锁并根据不同的Qmode unpark entryLIst/cxq中后续线程。

当持有锁的线程执行wait后，释放监视器，线程节点会push到waitset列表尾部，并根据不同的Qmode unpack entryList/cxq中后续线程，并park当前线程。执行notify或notifyAll则会根据不同的policy将waitset的第一个线程插入到cxq或entryList里