要了解 synchronized 的原理需要先理清楚兩件事情：對(duì)象頭和 Monitor。在JVM中划栓，對(duì)象是分成三部分存在的：
對(duì)象頭
實(shí)例數(shù)據(jù)
對(duì)其填充
實(shí)例數(shù)據(jù)和對(duì)其填充與synchronized無(wú)關(guān)
Java對(duì)象在堆內(nèi)存分布
當(dāng)我們?cè)?Java 代碼中淋肾，使用 new 創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象的時(shí)候屎勘，JVM 會(huì)在堆中創(chuàng)建一個(gè) instanceOopDesc 對(duì)象赡译，這個(gè)對(duì)象中包含了對(duì)象頭以及實(shí)例數(shù)據(jù)。
instanceOopDesc 的基類為 oopDesc 類濒析。它的結(jié)構(gòu)如下：
其中 _mark 和 metadata 一起組成了對(duì)象頭正什。metadata 主要保存了類元數(shù)據(jù)，不需要做過(guò)多介紹号杏。這里重點(diǎn)看下 _mark 屬性婴氮，_mark 是 markOop 類型數(shù)據(jù)，一般稱它為標(biāo)記字段（Mark Word）盾致，其中主要存儲(chǔ)了對(duì)象的 hashCode主经、分代年齡、鎖標(biāo)志位庭惜，是否偏向鎖等罩驻。
實(shí)例數(shù)據(jù)存放類的屬性數(shù)據(jù)信息，包括父類的屬性信息护赊，如果是數(shù)組的實(shí)例部分還包括數(shù)組的長(zhǎng)度惠遏，這部分內(nèi)存按4字節(jié)對(duì)齊；對(duì)其填充不是必須部分骏啰，由于虛擬機(jī)要求對(duì)象起始地址必須是8字節(jié)的整數(shù)倍节吮，對(duì)齊填充僅僅是為了使字節(jié)對(duì)齊。對(duì)象頭是我們需要關(guān)注的重點(diǎn)判耕，它是synchronized實(shí)現(xiàn)鎖的基礎(chǔ)透绩，因?yàn)閟ynchronized申請(qǐng)鎖、上鎖、釋放鎖都與對(duì)象頭有關(guān)帚豪。
對(duì)象頭主要結(jié)構(gòu)是由Mark Word 和 Class Metadata Address 組成碳竟，其中Mark Word存儲(chǔ)對(duì)象的hashCode、鎖信息或分代年齡或GC標(biāo)志等信息狸臣，Class Metadata Address是類型指針指向?qū)ο蟮念愒獢?shù)據(jù)瞭亮，JVM通過(guò)該指針確定該對(duì)象是哪個(gè)類的實(shí)例。
用一張圖來(lái)表示 32 位 Java 虛擬機(jī)的 Mark Word 的默認(rèn)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如下：
鎖也分不同狀態(tài)
JDK6之前只有兩個(gè)狀態(tài)：無(wú)鎖固棚、有鎖（重量級(jí)鎖）
而在JDK6之后對(duì)synchronized進(jìn)行了優(yōu)化，新增了兩種狀態(tài)仙蚜，總共就是四個(gè)狀態(tài)：
- 無(wú)鎖狀態(tài)此洲、
- 偏向鎖、
- 輕量級(jí)鎖委粉、
- 重量級(jí)鎖呜师，
其中無(wú)鎖就是一種狀態(tài)了。鎖的類型和狀態(tài)在對(duì)象頭Mark Word中都有記錄贾节，在申請(qǐng)鎖汁汗、鎖升級(jí)等過(guò)程中JVM都需要讀取對(duì)象的Mark Word數(shù)據(jù)。
? 每一個(gè)鎖都對(duì)應(yīng)一個(gè)monitor對(duì)象栗涂，在HotSpot虛擬機(jī)中它是由ObjectMonitor實(shí)現(xiàn)的（C++實(shí)現(xiàn)）知牌。每個(gè)對(duì)象都存在著一個(gè)monitor與之關(guān)聯(lián)，對(duì)象與其monitor之間的關(guān)系有存在多種實(shí)現(xiàn)方式斤程，如monitor可以與對(duì)象一起創(chuàng)建銷毀或當(dāng)線程試圖獲取對(duì)象鎖時(shí)自動(dòng)生成角寸，但當(dāng)一個(gè)monitor被某個(gè)線程持有后，它便處于鎖定狀態(tài)忿墅。
ObjectMonitor() {
_header = NULL;
_count = 0; //鎖計(jì)數(shù)器
_waiters = 0,
_recursions = 0;
_object = NULL;
_owner = NULL;
_WaitSet = NULL; //處于wait狀態(tài)的線程扁藕，會(huì)被加入到_WaitSet
_WaitSetLock = 0 ;
_Responsible = NULL ;
_succ = NULL ;
_cxq = NULL ;
FreeNext = NULL ;
_EntryList = NULL ; //處于等待鎖block狀態(tài)的線程，會(huì)被加入到該列表
_SpinFreq = 0 ;
_SpinClock = 0 ;
OwnerIsThread = 0 ;
}
默認(rèn)情況下疚脐，沒(méi)有線程進(jìn)行加鎖操作亿柑，所以鎖對(duì)象中的 Mark Word 處于無(wú)鎖狀態(tài)。但是考慮到 JVM 的空間效率棍弄，Mark Word 被設(shè)計(jì)成為一個(gè)非固定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)望薄，以便存儲(chǔ)更多的有效數(shù)據(jù)，它會(huì)根據(jù)對(duì)象本身的狀態(tài)復(fù)用自己的存儲(chǔ)空間照卦，如 32 位 JVM 下式矫，除了上述列出的 Mark Word 默認(rèn)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)外，還有如下可能變化的結(jié)構(gòu)：
Monitor
Monitor 可以把它理解為一個(gè)同步工具役耕，也可以描述為一種同步機(jī)制采转。實(shí)際上，它是一個(gè)保存在對(duì)象頭中的一個(gè)對(duì)象。在 markOop 中有如下代碼：
通過(guò) monitor() 方法創(chuàng)建一個(gè) ObjectMonitor 對(duì)象故慈，而 ObjectMonitor 就是 Java 虛擬機(jī)中的 Monitor 的具體實(shí)現(xiàn)板熊。因此 Java 中每個(gè)對(duì)象都會(huì)有一個(gè)對(duì)應(yīng)的 ObjectMonitor 對(duì)象，這也是 Java 中所有的 Object 都可以作為鎖對(duì)象的原因察绷。
ObjectMonitor 其中有幾個(gè)比較關(guān)鍵的屬性：
當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)一段同步代碼時(shí)干签，首先會(huì)進(jìn)入 _EntryList 隊(duì)列中，當(dāng)某個(gè)線程通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)獲取到對(duì)象的 monitor 后拆撼，monitor 會(huì)把 _owner 變量設(shè)置為當(dāng)前線程容劳，同時(shí) monitor 中的計(jì)數(shù)器 _count 加 1，即獲得對(duì)象鎖闸度。
若持有 monitor 的線程調(diào)用 wait() 方法竭贩，將釋放當(dāng)前持有的 monitor，_owner 變量恢復(fù)為 null莺禁， _count 自減 1留量，同時(shí)該線程進(jìn)入 _WaitSet 集合中等待被喚醒。若當(dāng)前線程執(zhí)行完畢也將釋放 monitor（鎖）并復(fù)位變量的值哟冬，以便其他線程進(jìn)入獲取 monitor（鎖）楼熄。
ObjectMonitor 工作機(jī)制
ObjectMonitor中有兩個(gè)隊(duì)列
**_WaitSet ** 等待鎖的線程集合
_EntryList指孤，進(jìn)入鎖范圍的線程集合
Demo演示
通過(guò) 3 個(gè)線程分別執(zhí)行以下同步代碼塊,鎖對(duì)象是 lock 對(duì)象排监，在 JVM 中會(huì)有一個(gè) ObjectMonitor 對(duì)象與之對(duì)應(yīng)。如下圖所示：
分別使用 3 個(gè)線程來(lái)執(zhí)行以上同步代碼塊践樱。默認(rèn)情況下翰灾，3 個(gè)線程都會(huì)先進(jìn)入 ObjectMonitor 中的 EntrySet 隊(duì)列中青柄，如下所示：
假設(shè)線程 2 首先通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)獲取到了鎖對(duì)象，則 ObjectMonitor 中的 Owner 指向線程 2预侯，并將 count 加 1致开。結(jié)果如下：
上圖中 Owner 指向線程 2 表示它已經(jīng)成功獲取到鎖（Monitor）對(duì)象，其他線程只能處于阻塞（blocking）狀態(tài)萎馅。如果線程 2 在執(zhí)行過(guò)程中調(diào)用 wait() 操作双戳，則線程 2 會(huì)釋放鎖（Monitor）對(duì)象，以便其他線程進(jìn)入獲取鎖（Monitor）對(duì)象糜芳，Owner 變量恢復(fù)為 null飒货，count 做減 1 操作，同時(shí)線程 2 會(huì)添加到 WaitSet 集合峭竣，進(jìn)入等待（waiting）狀態(tài)并等待被喚醒塘辅。結(jié)果如下：
如果在線程 1 執(zhí)行過(guò)程中調(diào)用 notify 操作將線程 2 喚醒哲银，則當(dāng)前處于 WaitSet 中的線程 2 會(huì)被重新添加到 EntrySet 集合中，并嘗試重新獲取競(jìng)爭(zhēng)鎖（Monitor）對(duì)象呻惕。但是 notify 操作并不會(huì)是使程 1 釋放鎖（Monitor）對(duì)象荆责。結(jié)果如下
當(dāng)線程 1 中的代碼執(zhí)行完畢以后，同樣會(huì)自動(dòng)釋放鎖亚脆，以便其他線程再次獲取鎖對(duì)象做院。
實(shí)際上，ObjectMonitor 的同步機(jī)制是 JVM 對(duì)操作系統(tǒng)級(jí)別的 Mutex Lock（互斥鎖）的管理過(guò)程濒持，其間都會(huì)轉(zhuǎn)入操作系統(tǒng)內(nèi)核態(tài)键耕。也就是說(shuō) synchronized 實(shí)現(xiàn)鎖，在“重量級(jí)鎖”狀態(tài)下柑营，當(dāng)多個(gè)線程之間切換上下文時(shí)郁竟，還是一個(gè)比較重量級(jí)的操作。
JVM對(duì)synchronized的優(yōu)化
從 Java 6 開(kāi)始由境，虛擬機(jī)對(duì) synchronized 關(guān)鍵字做了多方面的優(yōu)化，主要目的就是蓖议，避免 ObjectMonitor 的訪問(wèn)虏杰，減少“重量級(jí)鎖”的使用次數(shù)，并最終減少線程上下文切換的頻率 勒虾。其中主要做了以下幾個(gè)優(yōu)化： 鎖自旋纺阔、輕量級(jí)鎖、偏向鎖修然。
上面講到鎖有四種狀態(tài)笛钝，并且會(huì)因?qū)嶋H情況進(jìn)行膨脹升級(jí)，其膨脹方向是：無(wú)鎖——>偏向鎖——>輕量級(jí)鎖——>重量級(jí)鎖愕宋，并且膨脹方向不可逆玻靡。
鎖自旋
線程的阻塞和喚醒需要 CPU 從用戶態(tài)轉(zhuǎn)為核心態(tài)，頻繁的阻塞和喚醒對(duì) CPU 來(lái)說(shuō)是一件負(fù)擔(dān)很重的工作中贝，勢(shì)必會(huì)給系統(tǒng)的并發(fā)性能帶來(lái)很大的壓力囤捻，所以 Java 引入了自旋鎖的操作。實(shí)際上自旋鎖在 Java 1.4 就被引入了邻寿，默認(rèn)關(guān)閉蝎土，但是可以使用參數(shù) -XX:+UseSpinning 將其開(kāi)啟。但是從 Java 6 之后默認(rèn)開(kāi)啟绣否。
所謂自旋誊涯，就是讓該線程等待一段時(shí)間，不會(huì)被立即掛起蒜撮，看當(dāng)前持有鎖的線程是否會(huì)很快釋放鎖暴构。而所謂的等待就是執(zhí)行一段無(wú)意義的循環(huán)即可（自旋）。
自旋鎖也存在一定的缺陷：自旋鎖要占用 CPU，如果鎖競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)間比較長(zhǎng)丹壕，那么自旋通常不能獲得鎖庆械，白白浪費(fèi)了自旋占用的 CPU 時(shí)間。這通常發(fā)生在鎖持有時(shí)間長(zhǎng)菌赖，且競(jìng)爭(zhēng)激烈的場(chǎng)景中缭乘，此時(shí)應(yīng)主動(dòng)禁用自旋鎖。
偏向鎖
輕量級(jí)鎖是在沒(méi)有鎖競(jìng)爭(zhēng)情況下的鎖狀態(tài)琉用，但是在有些時(shí)候鎖不僅存在多線程的競(jìng)爭(zhēng)堕绩，而且總是由同一個(gè)線程獲得。因此為了讓線程獲得鎖的代價(jià)更低引入了偏向鎖的概念邑时。偏向鎖的意思是如果一個(gè)線程獲得了一個(gè)偏向鎖奴紧，如果在接下來(lái)的一段時(shí)間中沒(méi)有其他線程來(lái)競(jìng)爭(zhēng)鎖，那么持有偏向鎖的線程再次進(jìn)入或者退出同一個(gè)同步代碼塊晶丘，不需要再次進(jìn)行搶占鎖和釋放鎖的操作黍氮。偏向鎖可以通過(guò) -XX:+UseBiasedLocking 開(kāi)啟或者關(guān)閉。
一句話總結(jié)它的作用：減少同一線程獲取鎖的代價(jià)浅浮。在大多數(shù)情況下沫浆，鎖不存在多線程競(jìng)爭(zhēng)，總是由同一線程多次獲得滚秩，那么此時(shí)就是偏向鎖专执。
核心思想：如果一個(gè)線程獲得了鎖，那么鎖就進(jìn)入偏向模式郁油，此時(shí)Mark Word的結(jié)構(gòu)也就變?yōu)槠蜴i結(jié)構(gòu)本股，當(dāng)該線程再次請(qǐng)求鎖時(shí)，無(wú)需再做任何同步操作桐腌，即獲取鎖的過(guò)程只需要檢查Mark Word的鎖標(biāo)記位為偏向鎖以及當(dāng)前線程ID等于Mark Word的ThreadID即可拄显，這樣就省去了大量有關(guān)鎖申請(qǐng)的操作。
偏向鎖的具體實(shí)現(xiàn)就是在鎖對(duì)象的對(duì)象頭中有個(gè) ThreadId 字段案站，默認(rèn)情況下這個(gè)字段是空的凿叠，當(dāng)?shù)谝淮潍@取鎖的時(shí)候，就將自身的 ThreadId 寫(xiě)入鎖對(duì)象的 Mark Word 中的 ThreadId 字段內(nèi)嚼吞，將是否偏向鎖的狀態(tài)置為 01盒件。這樣下次獲取鎖的時(shí)候，直接檢查 ThreadId 是否和自身線程 Id 一致舱禽，如果一致炒刁，則認(rèn)為當(dāng)前線程已經(jīng)獲取了鎖，因此不需再次獲取鎖誊稚，略過(guò)了輕量級(jí)鎖和重量級(jí)鎖的加鎖階段翔始。提高了效率罗心。
過(guò)程: 先說(shuō)無(wú)鎖—>偏向鎖。鎖的標(biāo)志位都為01城瞎。
當(dāng)一個(gè)線程訪問(wèn)同步塊并獲取鎖時(shí)渤闷，會(huì)在對(duì)象頭和棧幀中的鎖記錄里存儲(chǔ)鎖偏向的線程ID，以后該線程在進(jìn)入和退出同步塊時(shí)不需要花費(fèi)CAS操作來(lái)加鎖和解鎖脖镀，而只需簡(jiǎn)單的測(cè)試一下對(duì)象頭的Mark Word里是否存儲(chǔ)著指向當(dāng)前線程的偏向鎖飒箭，如果測(cè)試成功，表示線程已經(jīng)獲得了鎖蜒灰，如果測(cè)試失敗弦蹂，則需要再測(cè)試下Mark Word中偏向鎖的標(biāo)識(shí)是否設(shè)置成1（表示當(dāng)前是偏向鎖），如果沒(méi)有設(shè)置强窖，則使用CAS競(jìng)爭(zhēng)鎖凸椿，如果設(shè)置了，則嘗試使用CAS將對(duì)象頭的偏向鎖指向當(dāng)前線程翅溺。
? 要注意的是脑漫，偏向鎖使用了一種等到競(jìng)爭(zhēng)出現(xiàn)才釋放鎖的機(jī)制，所以當(dāng)其他線程嘗試競(jìng)爭(zhēng)偏向鎖時(shí)咙崎，持有偏向鎖的線程才會(huì)釋放鎖优幸。偏向鎖的撤銷，需要等待全局安全點(diǎn)（在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)上沒(méi)有字節(jié)碼正在執(zhí)行）叙凡，它會(huì)首先暫停擁有偏向鎖的線程，然后檢查持有偏向鎖的線程是否活著密末，如果線程不處于活動(dòng)狀態(tài)握爷，則將對(duì)象頭設(shè)置成無(wú)鎖狀態(tài)，如果線程仍然活著严里，擁有偏向鎖的棧會(huì)被執(zhí)行新啼，遍歷偏向?qū)ο蟮逆i記錄，棧中的鎖記錄和對(duì)象頭的Mark Word要么重新偏向于其他線程刹碾，要么恢復(fù)到無(wú)鎖或者標(biāo)記對(duì)象不適合作為偏向鎖燥撞，最后喚醒暫停的線程。
輕量級(jí)鎖
輕量級(jí)鎖是由偏向鎖升級(jí)而來(lái)迷帜，當(dāng)存在第二個(gè)線程申請(qǐng)同一個(gè)鎖對(duì)象時(shí)物舒，偏向鎖就會(huì)立即升級(jí)為輕量級(jí)鎖。注意這里的第二個(gè)線程只是申請(qǐng)鎖戏锹，不存在兩個(gè)線程同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)鎖冠胯，可以是一前一后地交替執(zhí)行同步塊。
有時(shí)候 Java 虛擬機(jī)中會(huì)存在這種情形：對(duì)于一塊同步代碼锦针，雖然有多個(gè)不同線程會(huì)去執(zhí)行荠察，但是這些線程是在不同的時(shí)間段交替請(qǐng)求這把鎖對(duì)象置蜀，也就是不存在鎖競(jìng)爭(zhēng)的情況。在這種情況下悉盆，鎖會(huì)保持在輕量級(jí)鎖的狀態(tài)盯荤，從而避免重量級(jí)鎖的阻塞和喚醒操作。
要了解輕量級(jí)鎖的工作流程焕盟，還是需要再次看下對(duì)象頭中的 Mark Word秋秤。上文中已經(jīng)提到，鎖的標(biāo)志位包含幾種情況：00 代表輕量級(jí)鎖京髓、01 代表無(wú)鎖（或者偏向鎖）航缀、10 代表重量級(jí)鎖、11 則跟垃圾回收算法的標(biāo)記有關(guān)堰怨。
當(dāng)線程執(zhí)行某同步代碼時(shí)芥玉，Java 虛擬機(jī)會(huì)在當(dāng)前線程的棧幀中開(kāi)辟一塊空間（Lock Record）作為該鎖的記錄，如下圖所示：
當(dāng)線程再次執(zhí)行此同步代碼塊時(shí)揽涮，判斷當(dāng)前對(duì)象的 Mark Word 是否指向當(dāng)前線程的棧幀抠藕，如果是則表示當(dāng)前線程已經(jīng)持有當(dāng)前對(duì)象的鎖，則直接執(zhí)行同步代碼塊蒋困；否則只能說(shuō)明該鎖對(duì)象已經(jīng)被其他線程搶占了盾似，這時(shí)輕量級(jí)鎖需要膨脹為重量級(jí)鎖。
重量級(jí)鎖
重量級(jí)鎖是由輕量級(jí)鎖升級(jí)而來(lái)雪标，當(dāng)同一時(shí)間有多個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)鎖時(shí)零院，鎖就會(huì)被升級(jí)成重量級(jí)鎖，此時(shí)其申請(qǐng)鎖帶來(lái)的開(kāi)銷也就變大村刨。
重量級(jí)鎖一般使用場(chǎng)景會(huì)在追求吞吐量告抄，同步塊或者同步方法執(zhí)行時(shí)間較長(zhǎng)的場(chǎng)景。
