Synchronized关键字原理和底层优化

synchronized是java中的一个关键字，由jvm提供的一种重量级的同步锁，按锁的不同状态synchronized属于悲观锁、非公平锁、可重入锁。

synchronized可用来锁方法、锁代码块、锁对象。

如何实现加锁的？

通过反编译java字节码文件，可以看到

在修饰代码块时，jvm会在代码块开始位置插入MonitorEnter指令，当代码执行到该指令时将会尝试获取该对象Monitor的所有权，即获取该对象的锁；在代码块结尾处或异常处插入MonitorExit指令，MonitorEnter和MonitorExit是对应的成对出现。

在修饰方法时，会在字节码中插入一个ACC_SYNCHRONIZED的flag，ACC_SYNCHRONIZED也会去调用MonitorEnter和MonitorExit，所以还是Monitor对象的获取来实现同步方法。

部分反编译后代码：

public synchronized void test();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED  // 修饰方法会出现
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         0: ldc         
         2: dup
         3: astore_1
         4: monitorenter   // 开始
         5: aload_1
         6: monitorexit    // 结束
         7: goto          
        10: astore_2
        11: return

以上总结：获取Monitor对象来执行方法，执行完毕后再释放Monitor，一个线程在获得Monitor执行代码时，其他线程将无法再获得同一个Monitor对象。JVM通过Monitor标识符实现方法同步。

Synchronized使用的锁存放在Java对象头的MarkWord里，MarkWord里默认数据是存储对象的HashCode等信息，具体看这篇文章。

随着对象的运行，不同的锁状态对应着不同的记录存储方式

锁的优化

为了提高获得锁和释放锁的效率，锁会随着竞争情况逐渐升级，但不能降级。

无锁状态 --> 偏向锁状态  --> 轻量级锁状态 --> 重量级锁状态 

1.偏向锁

偏向于第一个访问锁的线程，如果在运行过程中，同步锁只有一个线程访问，不存在多线程争用的情况，则线程是不需要触发同步的，减少加锁／解锁的一些CAS操作（比如等待队列的一些CAS操作），这种情况下，就会给线程加一个偏向锁。 如果在运行过程中，遇到了其他线程抢占锁，则持有偏向锁的线程会被挂起，JVM会消除它身上的偏向锁，将锁恢复到标准的轻量级锁。

偏向锁的适用场景

始终只有一个线程在执行同步块，在它没有执行完释放锁之前，没有其它线程去执行同步块，在锁无竞争的情况下使用，一旦有了竞争就升级为轻量级锁，升级为轻量级锁的时候需要撤销偏向锁，撤销偏向锁的时候会导致stop the word操作； 

2.轻量级锁

轻量级锁是由偏向锁升级来的，偏向锁运行在一个线程进入同步块的情况下，当第二个线程加入锁争用的时候，偏向锁就会升级为轻量级锁； 

使用轻量级锁时，不需要申请互斥量，仅仅将Mark Word中的部分字节CAS更新指向线程栈中的Lock Record，如果更新成功，则轻量级锁获取成功，记录锁状态为轻量级锁；否则，说明已经有线程获得了轻量级锁，目前发生了锁竞争（不适合继续使用轻量级锁），接下来膨胀为重量级锁。