synchronize原理

synchronized同步块使用了monitor enter和monitor exit指令实现同步，这两个指令，本质上都是对一个对象的监视器(monitor)进行获取，这个过程是排他的，也就是说同一时刻只能有一个线程获取到由synchronized所保护对象的监视器。

线程执行到monitor enter指令时，会尝试获取对象所对应的monitor所有权，也就是尝试获取对象的锁，而执行monitor exit，就是释放monitor的所有权。

在Hotspot虚拟机中，对象在内存中的布局分为三块区域：对象头（Mark Word、Class Metadata Address）、实例数据和对齐填充；Java对象头是实现synchronized的锁对象的基础。一般而言，synchronized使用的锁对象是存储在Java对象头里。它是轻量级锁和偏向锁的关键。

Monitor是一个同步工具，它内置于每一个Object对象中，相当于一个许可证。拿到许可证即可以进行操作，没有拿到则需要阻塞等待。在hotspot虚拟机中，通过ObjectMonitor类来实现monitor。

在JavaSE 1.6之后进行了主要包括为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗而引入的 偏向锁 和 轻量级锁 以及其它各种优化之后变得在某些情况下并不是那么重了锁的级别从低到高逐步升级： 无锁->偏向锁->轻量级锁->重量级锁。自旋锁与自适应自旋线程的挂起和恢复会极大的影响开销。并且jdk官方人员发现，很多线程在等待锁的时候，在很短的一段时间就获得了锁，所以它们在线程等待的时候，并不需要把线程挂起，而是让他无目的的循环，一般设置10次。这样就避免了线程切换的开销，极大的提升了性能。而适应性自旋，是赋予了自旋一种学习能力，它并不固定自旋10次一下。他可以根据它前面线程的自旋情况，从而调整它的自旋，甚至是不经过自旋而直接挂起。

偏向锁

多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，为了让其获得锁的代价更低而引入了偏向锁。当一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程ID，以后该线程在进入和退出同步块时不需要进行CAS操作来加锁和解锁，只需简单地测试一下对象头的Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。如果测试成功，表示线程已经获得了锁。如果测试失败，则需要再测试一下Mark Word中偏向锁的标识是否设置成01（表示当前是偏向锁）。如果没有设置，则使用CAS竞争锁。如果设置了，则尝试使用CAS将对象头的偏向锁指向当前线程。

轻量级锁

引入轻量级锁的主要目的是在多线程竞争不激烈的情况下，通过CAS竞争锁，减少传统的重量级锁使用操作系统互斥量产生的性能消耗。

重量级锁

重量级锁通过对象内部的监视器（monitor）实现，其中monitor的本质是依赖于底层操作系统的Mutex Lock实现，操作系统实现线程之间的切换需要从用户态到内核态的切换，切换成本非常高。

锁升级

偏向锁升级为轻量级锁：在一个对象持有偏向锁得时候，另外一个线程访问该对象。那么偏向锁升级为轻量级锁。

轻量级升级为重量级锁：当锁为轻量级锁的时候，另一个线程虽然是自旋，但自旋不会一直持续下去，当自旋一定次数的时候，还没有获取到锁，就会进入阻塞，该锁膨胀为重量级锁。

wait和notify为什么需要在synchronized里面？

wait方法的语义有两个，一个是释放当前的对象锁、另一个是使得当前线程进入阻塞队列，而这些操作都和监视器是相关的，所以wait必须要获得一个监视器锁。而对于notify来说也是一样，它是唤醒一个线程，既然要去唤醒，首先得知道它在哪里，所以就必须要找到这个对象获取到这个对象的锁，然后到这个对象的等待队列中去唤醒一个线程。