1.用法
synchronized可用來(lái)給對(duì)象和方法或者代碼塊加鎖傲武，當(dāng)它鎖定一個(gè)方法或者一個(gè)代碼塊的時(shí)候，同一時(shí)刻最多只有一個(gè)線(xiàn)程執(zhí)行這段代碼曹宴。
synchronized有三種應(yīng)用方式：
- 作用于實(shí)例方法搂橙，當(dāng)前實(shí)例加鎖，進(jìn)入同步代碼前要獲得當(dāng)前實(shí)例的鎖笛坦；
- 作用于靜態(tài)方法区转，當(dāng)前類(lèi)加鎖，進(jìn)去同步代碼前要獲得當(dāng)前類(lèi)對(duì)象的鎖弯屈；
- 作用于代碼塊蜗帜，對(duì)括號(hào)里配置的對(duì)象加鎖。
2.實(shí)現(xiàn)原理
2.1 Java對(duì)象頭
synchronized用的鎖存在Java對(duì)象頭里资厉，Java對(duì)象頭里的Mark Word默認(rèn)存儲(chǔ)對(duì)象的HashCode厅缺、分代年齡和鎖標(biāo)記位。在運(yùn)行期間宴偿，Mark Word里存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)會(huì)隨著鎖標(biāo)志位的變化而變化湘捎。32位JVM的Mark Word可能變化存儲(chǔ)為以下5種數(shù)據(jù)：
鎖一共有四種狀態(tài)，級(jí)別從低到高依次是：無(wú)鎖狀態(tài)窄刘、偏向鎖狀態(tài)窥妇、輕量級(jí)鎖狀態(tài)和重量級(jí)鎖狀態(tài)，這幾個(gè)狀態(tài)隨著競(jìng)爭(zhēng)情況逐漸升級(jí)娩践。為了提高獲得鎖和釋放鎖的效率活翩，鎖可以升級(jí)但不能降級(jí)，意味著偏向鎖升級(jí)為輕量級(jí)鎖后不能降級(jí)為偏向鎖翻伺。
偏向鎖
當(dāng)我們創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象時(shí)材泄，該對(duì)象的部分Markword關(guān)鍵數(shù)據(jù)如下。
從圖中可以看出吨岭，偏向鎖的標(biāo)志位是“01”拉宗，狀態(tài)是“0”，表示該對(duì)象還沒(méi)有被加上偏向鎖。（“1”是表示被加上偏向鎖）旦事。該對(duì)象被創(chuàng)建出來(lái)的那一刻魁巩，就有了偏向鎖的標(biāo)志位，這也說(shuō)明了所有對(duì)象都是可偏向的姐浮，但所有對(duì)象的狀態(tài)都為“0”谷遂，也同時(shí)說(shuō)明所有被創(chuàng)建的對(duì)象的偏向鎖并沒(méi)有生效。
不過(guò)单料，當(dāng)線(xiàn)程執(zhí)行到臨界區(qū)（critical section）時(shí)埋凯，此時(shí)會(huì)利用CAS(Compare and Swap)操作，將線(xiàn)程ID插入到Markword中扫尖，同時(shí)修改偏向鎖的標(biāo)志位白对。
所謂臨界區(qū)，就是只允許一個(gè)線(xiàn)程進(jìn)去執(zhí)行操作的區(qū)域换怖，即同步代碼塊甩恼。CAS是一個(gè)原子性操作
此時(shí)的Mark word的結(jié)構(gòu)信息如下：
此時(shí)偏向鎖的狀態(tài)為“1”，說(shuō)明對(duì)象的偏向鎖生效了沉颂，同時(shí)也可以看到条摸，哪個(gè)線(xiàn)程獲得了該對(duì)象的鎖。
偏向鎖是jdk1.6引入的一項(xiàng)鎖優(yōu)化铸屉，其中的“偏”是偏心的偏钉蒲。它的意思就是說(shuō)，這個(gè)鎖會(huì)偏向于第一個(gè)獲得它的線(xiàn)程彻坛，在接下來(lái)的執(zhí)行過(guò)程中顷啼，假如該鎖沒(méi)有被其他線(xiàn)程所獲取，沒(méi)有其他線(xiàn)程來(lái)競(jìng)爭(zhēng)該鎖昌屉，那么持有偏向鎖的線(xiàn)程將永遠(yuǎn)不需要進(jìn)行同步操作钙蒙。也就是說(shuō):在此線(xiàn)程之后的執(zhí)行過(guò)程中，如果再次進(jìn)入或者退出同一段同步塊代碼间驮，并不再需要去進(jìn)行加鎖或者解鎖操作躬厌，而是會(huì)做以下的步驟：
Load-and-test，也就是簡(jiǎn)單判斷一下當(dāng)前線(xiàn)程id是否與Markword當(dāng)中的線(xiàn)程id是否一致.
如果一致竞帽，則說(shuō)明此線(xiàn)程已經(jīng)成功獲得了鎖扛施，繼續(xù)執(zhí)行下面的代碼.
如果不一致，則要檢查一下對(duì)象是否還是可偏向屹篓，即“是否偏向鎖”標(biāo)志位的值疙渣。
如果還未偏向抱虐，則利用CAS操作來(lái)競(jìng)爭(zhēng)鎖，也即是第一次獲取鎖時(shí)的操作饥脑。
釋放鎖
偏向鎖的釋放采用了一種只有競(jìng)爭(zhēng)才會(huì)釋放鎖的機(jī)制，線(xiàn)程是不會(huì)主動(dòng)去釋放偏向鎖刷钢，需要等待其他線(xiàn)程來(lái)競(jìng)爭(zhēng)内地。偏向鎖的撤銷(xiāo)需要等待全局安全點(diǎn)（這個(gè)時(shí)間點(diǎn)是上沒(méi)有正在執(zhí)行的代碼）。其步驟如下：
暫停擁有偏向鎖的線(xiàn)程荆针，判斷鎖對(duì)象石是否還處于被鎖定狀態(tài)；
撤銷(xiāo)偏向鎖颁糟，恢復(fù)到無(wú)鎖狀態(tài)或者輕量級(jí)鎖的狀態(tài)航背；
安全點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致stw（stop the word），導(dǎo)致性能下降棱貌，這種情況下應(yīng)當(dāng)禁用玖媚；
查看停頓–安全點(diǎn)停頓日志
要查看安全點(diǎn)停頓，可以打開(kāi)安全點(diǎn)日志婚脱，通過(guò)設(shè)置JVM參數(shù) -
XX:+PrintGCApplicationStoppedTime 會(huì)打出系統(tǒng)停止的時(shí)間今魔，
添加-XX:+PrintSafepointStatistics -XX:PrintSafepointStatisticsCount=1 這兩個(gè)參數(shù)會(huì)打印出詳細(xì)信息，可以查看到使用偏向鎖導(dǎo)致的停頓起惕，時(shí)間非常短暫涡贱，但是爭(zhēng)用嚴(yán)重的情況下，停頓次數(shù)也會(huì)非常多惹想；
注意：安全點(diǎn)日志不能一直打開(kāi)：
- 安全點(diǎn)日志默認(rèn)輸出到stdout问词，一是stdout日志的整潔性，二是stdout所重定向的文件如果不在/dev/shm嘀粱，可能被鎖激挪。
- 對(duì)于一些很短的停頓，比如取消偏向鎖锋叨，打印的消耗比停頓本身還大垄分。
- 安全點(diǎn)日志是在安全點(diǎn)內(nèi)打印的，本身加大了安全點(diǎn)的停頓時(shí)間娃磺。
所以安全日志應(yīng)該只在問(wèn)題排查時(shí)打開(kāi)薄湿。
如果在生產(chǎn)系統(tǒng)上要打開(kāi)，再再增加下面四個(gè)參數(shù)：
-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX: -DisplayVMOutput -XX:+LogVMOutput -XX:LogFile=/dev/shm/vm.log
打開(kāi)Diagnostic（只是開(kāi)放了更多的flag可選，不會(huì)主動(dòng)激活某個(gè)flag）豺瘤，關(guān)掉輸出VM日志到stdout吆倦，輸出到獨(dú)立文件,/dev/shm目錄（內(nèi)存文件系統(tǒng)）。
此日志分三部分：
第一部分是時(shí)間戳坐求，VM Operation的類(lèi)型
第二部分是線(xiàn)程概況蚕泽，被中括號(hào)括起來(lái)
total: 安全點(diǎn)里的總線(xiàn)程數(shù)
initially_running: 安全點(diǎn)時(shí)開(kāi)始時(shí)正在運(yùn)行狀態(tài)的線(xiàn)程數(shù)
wait_to_block: 在VM Operation開(kāi)始前需要等待其暫停的線(xiàn)程數(shù)
第三部分是到達(dá)安全點(diǎn)時(shí)的各個(gè)階段以及執(zhí)行操作所花的時(shí)間，其中最重要的是vmop
spin: 等待線(xiàn)程響應(yīng)safepoint號(hào)召的時(shí)間桥嗤；
block: 暫停所有線(xiàn)程所用的時(shí)間须妻；
sync: 等于 spin+block，這是從開(kāi)始到進(jìn)入安全點(diǎn)所耗的時(shí)間泛领，可用于判斷進(jìn)入安全點(diǎn)耗時(shí)荒吏；
cleanup: 清理所用時(shí)間；
vmop: 真正執(zhí)行VM Operation的時(shí)間师逸。
可見(jiàn)司倚，那些很多但又很短的安全點(diǎn)，全都是RevokeBias篓像， 高并發(fā)的應(yīng)用會(huì)禁用掉偏向鎖动知。
jvm開(kāi)啟/關(guān)閉偏向鎖
開(kāi)啟偏向鎖：-XX:+UseBiasedLocking -XX:BiasedLockingStartupDelay=0
關(guān)閉偏向鎖：-XX:-UseBiasedLocking
輕量級(jí)鎖
自旋鎖的目標(biāo)是降低線(xiàn)程切換的成本。如果鎖競(jìng)爭(zhēng)激烈员辩，我們不得不依賴(lài)于重量級(jí)鎖盒粮，讓競(jìng)爭(zhēng)失敗的線(xiàn)程阻塞；如果完全沒(méi)有實(shí)際的鎖競(jìng)爭(zhēng)奠滑，那么申請(qǐng)重量級(jí)鎖都是浪費(fèi)的丹皱。輕量級(jí)鎖的目標(biāo)是，減少無(wú)實(shí)際競(jìng)爭(zhēng)情況下宋税，使用重量級(jí)鎖產(chǎn)生的性能消耗摊崭，包括系統(tǒng)調(diào)用引起的內(nèi)核態(tài)與用戶(hù)態(tài)切換、線(xiàn)程阻塞造成的線(xiàn)程切換等杰赛。
顧名思義呢簸，輕量級(jí)鎖是相對(duì)于重量級(jí)鎖而言的。使用輕量級(jí)鎖時(shí)乏屯，不需要申請(qǐng)互斥量根时，僅僅將Mark Word中的部分字節(jié)CAS更新指向線(xiàn)程棧中的Lock Record（Lock Record：JVM檢測(cè)到當(dāng)前對(duì)象是無(wú)鎖狀態(tài)，則會(huì)在當(dāng)前線(xiàn)程的棧幀中創(chuàng)建一個(gè)名為L(zhǎng)OCKRECOD表空間用于copy Mark word 中的數(shù)據(jù)）辰晕，如果更新成功蛤迎，則輕量級(jí)鎖獲取成功，記錄鎖狀態(tài)為輕量級(jí)鎖含友；否則替裆，說(shuō)明已經(jīng)有線(xiàn)程獲得了輕量級(jí)鎖校辩，目前發(fā)生了鎖競(jìng)爭(zhēng)（不適合繼續(xù)使用輕量級(jí)鎖），接下來(lái)膨脹為重量級(jí)鎖辆童。
當(dāng)然召川，由于輕量級(jí)鎖天然瞄準(zhǔn)不存在鎖競(jìng)爭(zhēng)的場(chǎng)景，如果存在鎖競(jìng)爭(zhēng)但不激烈胸遇，仍然可以用自旋鎖優(yōu)化，自旋失敗后再膨脹為重量級(jí)鎖汉形。
缺點(diǎn)：同自旋鎖相似：如果鎖競(jìng)爭(zhēng)激烈纸镊，那么輕量級(jí)將很快膨脹為重量級(jí)鎖，那么維持輕量級(jí)鎖的過(guò)程就成了浪費(fèi)概疆。
重量級(jí)鎖
輕量級(jí)鎖膨脹之后逗威，就升級(jí)為重量級(jí)鎖了。重量級(jí)鎖是依賴(lài)對(duì)象內(nèi)部的monitor鎖來(lái)實(shí)現(xiàn)的岔冀，而monitor又依賴(lài)操作系統(tǒng)的MutexLock(互斥鎖)來(lái)實(shí)現(xiàn)的凯旭，所以重量級(jí)鎖也被成為互斥鎖。
當(dāng)輕量級(jí)所經(jīng)過(guò)鎖撤銷(xiāo)等步驟升級(jí)為重量級(jí)鎖之后使套，它的Markword部分?jǐn)?shù)據(jù)大體如下
為什么說(shuō)重量級(jí)鎖開(kāi)銷(xiāo)大呢
主要是罐呼，當(dāng)系統(tǒng)檢查到鎖是重量級(jí)鎖之后，會(huì)把等待想要獲得鎖的線(xiàn)程進(jìn)行阻塞侦高，被阻塞的線(xiàn)程不會(huì)消耗cup嫉柴。但是阻塞或者喚醒一個(gè)線(xiàn)程時(shí)，都需要操作系統(tǒng)來(lái)幫忙奉呛，這就需要從用戶(hù)態(tài)轉(zhuǎn)換到內(nèi)核態(tài)计螺，而轉(zhuǎn)換狀態(tài)是需要消耗很多時(shí)間的，有可能比用戶(hù)執(zhí)行代碼的時(shí)間還要長(zhǎng)瞧壮。
這就是說(shuō)為什么重量級(jí)線(xiàn)程開(kāi)銷(xiāo)很大的登馒。
互斥鎖(重量級(jí)鎖)也稱(chēng)為阻塞同步、悲觀鎖
總結(jié)
偏向所鎖咆槽，輕量級(jí)鎖都是樂(lè)觀鎖陈轿，重量級(jí)鎖是悲觀鎖。
一個(gè)對(duì)象剛開(kāi)始實(shí)例化的時(shí)候罗晕，沒(méi)有任何線(xiàn)程來(lái)訪(fǎng)問(wèn)它的時(shí)候济欢。它是可偏向的，意味著小渊，它現(xiàn)在認(rèn)為只可能有一個(gè)線(xiàn)程來(lái)訪(fǎng)問(wèn)它法褥，所以當(dāng)?shù)谝粋€(gè)
線(xiàn)程來(lái)訪(fǎng)問(wèn)它的時(shí)候，它會(huì)偏向這個(gè)線(xiàn)程酬屉，此時(shí)半等，對(duì)象持有偏向鎖揍愁。偏向第一個(gè)線(xiàn)程，這個(gè)線(xiàn)程在修改對(duì)象頭成為偏向鎖的時(shí)候使用CAS操作杀饵，并將
對(duì)象頭中的ThreadID改成自己的ID莽囤，之后再次訪(fǎng)問(wèn)這個(gè)對(duì)象時(shí)，只需要對(duì)比ID切距，不需要再使用CAS在進(jìn)行操作朽缎。
一旦有第二個(gè)線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)這個(gè)對(duì)象，因?yàn)槠蜴i不會(huì)主動(dòng)釋放谜悟，所以第二個(gè)線(xiàn)程可以看到對(duì)象時(shí)偏向狀態(tài)话肖，這時(shí)表明在這個(gè)對(duì)象上已經(jīng)存在競(jìng)爭(zhēng)了，檢查原來(lái)持有該對(duì)象鎖的線(xiàn)程是否依然存活葡幸，如果掛了最筒，則可以將對(duì)象變?yōu)闊o(wú)鎖狀態(tài)，然后重新偏向新的線(xiàn)程蔚叨，如果原來(lái)的線(xiàn)程依然存活床蜘，則馬上執(zhí)行那個(gè)線(xiàn)程的操作棧，檢查該對(duì)象的使用情況蔑水，如果仍然需要持有偏向鎖邢锯，則偏向鎖升級(jí)為輕量級(jí)鎖，（偏向鎖就是這個(gè)時(shí)候升級(jí)為輕量級(jí)鎖的）搀别。如果不存在使用了弹囚，則可以將對(duì)象回復(fù)成無(wú)鎖狀態(tài)，然后重新偏向领曼。
輕量級(jí)鎖認(rèn)為競(jìng)爭(zhēng)存在鸥鹉，但是競(jìng)爭(zhēng)的程度很輕，一般兩個(gè)線(xiàn)程對(duì)于同一個(gè)鎖的操作都會(huì)錯(cuò)開(kāi)庶骄，或者說(shuō)稍微等待一下（自旋）毁渗，另一個(gè)線(xiàn)程就會(huì)釋放鎖。但是當(dāng)自旋超過(guò)一定的次數(shù)单刁，或者一個(gè)線(xiàn)程在持有鎖灸异，一個(gè)在自旋，又有第三個(gè)來(lái)訪(fǎng)時(shí)羔飞，輕量級(jí)鎖膨脹為重量級(jí)鎖肺樟，重量級(jí)鎖使除了擁有鎖的線(xiàn)程以外的線(xiàn)程都阻塞，防止CPU空轉(zhuǎn)逻淌。
