概述
- 互斥訪問:synchronized可以保證在同一個時刻二驰，只有一個線程可以執(zhí)行某個方法或者某個代碼塊(主要是對方法或者代碼塊中存在共享數(shù)據(jù)的操作)
- 可見性:synchronized可保證一個線程的變化(主要是共享數(shù)據(jù)的變化)被其他線程所看到（保證可見性扶欣，完全可以替代Volatile功能）冰蘑，這點確實也是很重要的限府。
三種應(yīng)用方式
修飾實例方法儒喊，作用于當(dāng)前實例加鎖蛹尝，進(jìn)入同步代碼前要獲得當(dāng)前實例的鎖
修飾靜態(tài)方法敷燎，作用于當(dāng)前類對象加鎖，進(jìn)入同步代碼前要獲得當(dāng)前類對象的鎖
修飾代碼塊箩言，指定加鎖對象硬贯，對給定對象加鎖，進(jìn)入同步代碼庫前要獲得給定對象的鎖
需要注意的是如果一個線程A調(diào)用一個實例對象的非static synchronized方法陨收，而線程B需要調(diào)用這個實例對象所屬類的靜態(tài) synchronized方法饭豹，是允許的，不會發(fā)生互斥現(xiàn)象务漩，因為訪問靜態(tài) synchronized 方法占用的鎖是當(dāng)前類的class對象拄衰，而訪問非靜態(tài) synchronized 方法占用的鎖是當(dāng)前實例對象鎖
底層語義原理
Java 虛擬機(jī)中的同步(Synchronization)基于進(jìn)入和退出管程(Monitor)對象實現(xiàn)， 無論是顯式同步(有明確的 monitorenter 和 monitorexit 指令,即同步代碼塊)還是隱式同步都是如此饵骨。
在 Java 語言中翘悉，同步用的最多的地方可能是被 synchronized 修飾的同步方法。同步方法 并不是由 monitorenter 和 monitorexit 指令來實現(xiàn)同步的居触，而是由方法調(diào)用指令讀取運(yùn)行時常量池中方法的 ACC_SYNCHRONIZED 標(biāo)志來隱式實現(xiàn)的
理解Java對象頭與Monitor
在JVM中妖混，對象在內(nèi)存中的布局分為三塊區(qū)域：對象頭、實例數(shù)據(jù)和對齊填充轮洋。如下：
實例變量：存放類的屬性數(shù)據(jù)信息制市，包括父類的屬性信息，如果是數(shù)組的實例部分還包括數(shù)組的長度弊予，這部分內(nèi)存按4字節(jié)對齊祥楣。
填充數(shù)據(jù)：由于虛擬機(jī)要求對象起始地址必須是8字節(jié)的整數(shù)倍。填充數(shù)據(jù)不是必須存在的汉柒，僅僅是為了字節(jié)對齊误褪，這點了解即可。
而對于頂部碾褂，則是Java頭對象兽间，它實現(xiàn)synchronized的鎖對象的基礎(chǔ)，這點我們重點分析它斋扰，一般而言渡八，synchronized使用的鎖對象是存儲在Java對象頭里的啃洋，jvm中采用2個字來存儲對象頭(如果對象是數(shù)組則會分配3個字，多出來的1個字記錄的是數(shù)組長度)屎鳍，其主要結(jié)構(gòu)是由Mark Word 和 Class Metadata Address 組成宏娄，其結(jié)構(gòu)說明如下表：
由于對象頭的信息是與對象自身定義的數(shù)據(jù)沒有關(guān)系的額外存儲成本，因此考慮到JVM的空間效率逮壁，Mark Word 被設(shè)計成為一個非固定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)孵坚，以便存儲更多有效的數(shù)據(jù)，它會根據(jù)對象本身的狀態(tài)復(fù)用自己的存儲空間窥淆，如32位JVM下卖宠，除了上述列出的Mark Word默認(rèn)存儲結(jié)構(gòu)外，還有如下可能變化的結(jié)構(gòu)：
這里我們主要分析一下重量級鎖也就是通常說synchronized的對象鎖忧饭，鎖標(biāo)識位為10扛伍，其中指針指向的是monitor對象（也稱為管程或監(jiān)視器鎖）的起始地址。每個對象都存在著一個 monitor 與之關(guān)聯(lián)词裤，對象與其 monitor 之間的關(guān)系有存在多種實現(xiàn)方式刺洒，如monitor可以與對象一起創(chuàng)建銷毀或當(dāng)線程試圖獲取對象鎖時自動生成，但當(dāng)一個 monitor 被某個線程持有后吼砂，它便處于鎖定狀態(tài)逆航。在Java虛擬機(jī)(HotSpot)中，monitor是由ObjectMonitor實現(xiàn)的渔肩，其主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下（位于HotSpot虛擬機(jī)源碼ObjectMonitor.hpp文件因俐，C++實現(xiàn)的）
ObjectMonitor() {
_header = NULL;
_count = 0; //記錄個數(shù)
_waiters = 0,
_recursions = 0;
_object = NULL;
_owner = NULL;
_WaitSet = NULL; //處于wait狀態(tài)的線程，會被加入到_WaitSet
_WaitSetLock = 0 ;
_Responsible = NULL ;
_succ = NULL ;
_cxq = NULL ;
FreeNext = NULL ;
_EntryList = NULL ; //處于等待鎖block狀態(tài)的線程周偎，會被加入到該列表
_SpinFreq = 0 ;
_SpinClock = 0 ;
OwnerIsThread = 0 ;
}
ObjectMonitor中有兩個隊列抹剩，_WaitSet 和 _EntryList，用來保存ObjectWaiter對象列表( 每個等待鎖的線程都會被封裝成ObjectWaiter對象)栏饮，_owner指向持有ObjectMonitor對象的線程吧兔，當(dāng)多個線程同時訪問一段同步代碼時磷仰，首先會進(jìn)入 _EntryList 集合袍嬉，當(dāng)線程獲取到對象的monitor 后進(jìn)入 _Owner 區(qū)域并把monitor中的owner變量設(shè)置為當(dāng)前線程同時monitor中的計數(shù)器count加1，若線程調(diào)用 wait() 方法灶平，將釋放當(dāng)前持有的monitor伺通，owner變量恢復(fù)為null，count自減1逢享，同時該線程進(jìn)入 WaitSet集合中等待被喚醒罐监。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，以便其他線程進(jìn)入獲取monitor(鎖)瞒爬。如下圖所示
monitor對象存在于每個Java對象的對象頭中(存儲的指針的指向)弓柱，synchronized鎖便是通過這種方式獲取鎖的沟堡，也是為什么Java中任意對象可以作為鎖的原因
代碼塊底層原理
public class SyncCodeBlock {
public int i;
public void syncTask(){
//同步代碼庫
synchronized (this){
i++;
}
}
}
反編譯后的關(guān)鍵點：
3: monitorenter //進(jìn)入同步方法
//..........省略其他
15: monitorexit //退出同步方法
16: goto 24
//省略其他.......
21: monitorexit //退出同步方法
從字節(jié)碼中可知同步語句塊的實現(xiàn)使用的是monitorenter 和 monitorexit 指令，其中monitorenter指令指向同步代碼塊的開始位置矢空，monitorexit指令則指明同步代碼塊的結(jié)束位置航罗，當(dāng)執(zhí)行monitorenter指令時，當(dāng)前線程將試圖獲取 objectref(即對象鎖) 所對應(yīng)的 monitor 的持有權(quán)屁药，當(dāng) objectref 的 monitor 的進(jìn)入計數(shù)器為 0粥血，那線程可以成功取得 monitor，并將計數(shù)器值設(shè)置為 1酿箭，取鎖成功复亏。如果當(dāng)前線程已經(jīng)擁有 objectref 的 monitor 的持有權(quán)，那它可以重入這個 monitor (關(guān)于重入性稍后會分析)缭嫡，重入時計數(shù)器的值也會加 1缔御。倘若其他線程已經(jīng)擁有 objectref 的 monitor 的所有權(quán)，那當(dāng)前線程將被阻塞妇蛀，直到正在執(zhí)行線程執(zhí)行完畢刹淌，即monitorexit指令被執(zhí)行，執(zhí)行線程將釋放 monitor(鎖)并設(shè)置計數(shù)器值為0 讥耗，其他線程將有機(jī)會持有 monitor 有勾。值得注意的是編譯器將會確保無論方法通過何種方式完成，方法中調(diào)用過的每條 monitorenter 指令都有執(zhí)行其對應(yīng) monitorexit 指令古程，而無論這個方法是正常結(jié)束還是異常結(jié)束蔼卡。為了保證在方法異常完成時 monitorenter 和 monitorexit 指令依然可以正確配對執(zhí)行，編譯器會自動產(chǎn)生一個異常處理器挣磨，這個異常處理器聲明可處理所有的異常雇逞，它的目的就是用來執(zhí)行 monitorexit 指令。從字節(jié)碼中也可以看出多了一個monitorexit指令茁裙，它就是異常結(jié)束時被執(zhí)行的釋放monitor 的指令塘砸。
synchronized方法底層原理
法級的同步是隱式，即無需通過字節(jié)碼指令來控制的晤锥，它實現(xiàn)在方法調(diào)用和返回操作之中掉蔬。JVM可以從方法常量池中的方法表結(jié)構(gòu)(method_info Structure) 中的 ACC_SYNCHRONIZED 訪問標(biāo)志區(qū)分一個方法是否同步方法。當(dāng)方法調(diào)用時矾瘾，調(diào)用指令將會 檢查方法的 ACC_SYNCHRONIZED 訪問標(biāo)志是否被設(shè)置女轿，如果設(shè)置了，執(zhí)行線程將先持有monitor（虛擬機(jī)規(guī)范中用的是管程一詞）壕翩， 然后再執(zhí)行方法蛉迹，最后再方法完成(無論是正常完成還是非正常完成)時釋放monitor。在方法執(zhí)行期間放妈，執(zhí)行線程持有了monitor北救，其他任何線程都無法再獲得同一個monitor荐操。如果一個同步方法執(zhí)行期間拋 出了異常，并且在方法內(nèi)部無法處理此異常珍策，那這個同步方法所持有的monitor將在異常拋到同步方法之外時自動釋放淀零。
Java虛擬機(jī)對synchronized的優(yōu)化
鎖的狀態(tài)總共有四種，無鎖狀態(tài)膛壹、偏向鎖驾中、輕量級鎖和重量級鎖。隨著鎖的競爭模聋，鎖可以從偏向鎖升級到輕量級鎖肩民，再升級的重量級鎖，但是鎖的升級是單向的链方，也就是說只能從低到高升級持痰，不會出現(xiàn)鎖的降級，關(guān)于重量級鎖祟蚀，前面我們已詳細(xì)分析過工窍，下面我們將介紹偏向鎖和輕量級鎖以及JVM的其他優(yōu)化手段
偏向鎖
偏向鎖是Java 6之后加入的新鎖，它是一種針對加鎖操作的優(yōu)化手段前酿，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)患雏，在大多數(shù)情況下，鎖不僅不存在多線程競爭罢维，而且總是由同一線程多次獲得淹仑，因此為了減少同一線程獲取鎖(會涉及到一些CAS操作,耗時)的代價而引入偏向鎖。偏向鎖的核心思想是肺孵，如果一個線程獲得了鎖匀借，那么鎖就進(jìn)入偏向模式，此時Mark Word 的結(jié)構(gòu)也變?yōu)槠蜴i結(jié)構(gòu)平窘，當(dāng)這個線程再次請求鎖時吓肋，無需再做任何同步操作，即獲取鎖的過程瑰艘，這樣就省去了大量有關(guān)鎖申請的操作是鬼，從而也就提供程序的性能。
輕量級鎖
倘若偏向鎖失敗磅叛，虛擬機(jī)并不會立即升級為重量級鎖屑咳，它還會嘗試使用一種稱為輕量級鎖的優(yōu)化手段(1.6之后加入的)，此時Mark Word 的結(jié)構(gòu)也變?yōu)檩p量級鎖的結(jié)構(gòu)弊琴。輕量級鎖能夠提升程序性能的依據(jù)是“對絕大部分的鎖，在整個同步周期內(nèi)都不存在競爭”杖爽，注意這是經(jīng)驗數(shù)據(jù)敲董。需要了解的是紫皇，輕量級鎖所適應(yīng)的場景是線程交替執(zhí)行同步塊的場合，如果存在同一時間訪問同一鎖的場合腋寨，就會導(dǎo)致輕量級鎖膨脹為重量級鎖聪铺。
自旋鎖
輕量級鎖失敗后，虛擬機(jī)為了避免線程真實地在操作系統(tǒng)層面掛起萄窜，還會進(jìn)行一項稱為自旋鎖的優(yōu)化手段铃剔。這是基于在大多數(shù)情況下，線程持有鎖的時間都不會太長查刻，如果直接掛起操作系統(tǒng)層面的線程可能會得不償失键兜，畢竟操作系統(tǒng)實現(xiàn)線程之間的切換時需要從用戶態(tài)轉(zhuǎn)換到核心態(tài)，這個狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換需要相對比較長的時間穗泵，時間成本相對較高普气，因此自旋鎖會假設(shè)在不久將來，當(dāng)前的線程可以獲得鎖佃延，因此虛擬機(jī)會讓當(dāng)前想要獲取鎖的線程做幾個空循環(huán)(這也是稱為自旋的原因)现诀，一般不會太久，可能是50個循環(huán)或100循環(huán)履肃，在經(jīng)過若干次循環(huán)后仔沿，如果得到鎖，就順利進(jìn)入臨界區(qū)尺棋。如果還不能獲得鎖于未，那就會將線程在操作系統(tǒng)層面掛起，這就是自旋鎖的優(yōu)化方式陡鹃，這種方式確實也是可以提升效率的烘浦。最后沒辦法也就只能升級為重量級鎖了。
synchronized的可重入性
從互斥鎖的設(shè)計上來說萍鲸，當(dāng)一個線程試圖操作一個由其他線程持有的對象鎖的臨界資源時闷叉，將會處于阻塞狀態(tài)，但當(dāng)一個線程再次請求自己持有對象鎖的臨界資源時脊阴，這種情況屬于重入鎖握侧，請求將會成功
線程中斷與synchronized
線程中斷
//中斷線程（實例方法）
public void Thread.interrupt();
//判斷線程是否被中斷（實例方法）
public boolean Thread.isInterrupted();
//判斷是否被中斷并清除當(dāng)前中斷狀態(tài)（靜態(tài)方法）
public static boolean Thread.interrupted();
//舉例
public class InterruputSleepThread3 {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread() {
@Override
public void run() {
//while在try中，通過異常中斷就可以退出run循環(huán)
try {
while (true) {
//當(dāng)前線程處于阻塞狀態(tài)嘿期，異常必須捕捉處理品擎，無法往外拋出
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
}
} catch (InterruptedException e) {
System.out.println("Interruted When Sleep");
boolean interrupt = this.isInterrupted();
//中斷狀態(tài)被復(fù)位
System.out.println("interrupt:"+interrupt);
}
}
};
t1.start();
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
//中斷處于阻塞狀態(tài)的線程
t1.interrupt();
/**
* 輸出結(jié)果:
Interruted When Sleep
interrupt:false
*/
}
}
public class InterruputThread {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1=new Thread(){
@Override
public void run(){
while(true){
//判斷當(dāng)前線程是否被中斷
if (this.isInterrupted()){
System.out.println("線程中斷");
break;
}
}
System.out.println("已跳出循環(huán),線程中斷!");
}
};
t1.start();
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
t1.interrupt();
/**
* 輸出結(jié)果:
線程中斷
已跳出循環(huán),線程中斷!
*/
}
}
中斷與synchronized
事實上線程的中斷操作對于正在等待獲取的鎖對象的synchronized方法或者代碼塊并不起作用，也就是對于synchronized來說备徐，如果一個線程在等待鎖萄传，那么結(jié)果只有兩種，要么它獲得這把鎖繼續(xù)執(zhí)行蜜猾，要么它就保存等待秀菱，即使調(diào)用中斷線程的方法振诬，也不會生效。演示代碼如下
等待喚醒機(jī)制與synchronized
所謂等待喚醒機(jī)制本篇主要指的是notify/notifyAll和wait方法衍菱，在使用這3個方法時赶么，必須處于synchronized代碼塊或者synchronized方法中，否則就會拋出IllegalMonitorStateException異常脊串，這是因為調(diào)用這幾個方法前必須拿到當(dāng)前對象的監(jiān)視器monitor對象辫呻，也就是說notify/notifyAll和wait方法依賴于monitor對象，在前面的分析中琼锋，我們知道m(xù)onitor 存在于對象頭的Mark Word 中(存儲monitor引用指針)放闺，而synchronized關(guān)鍵字可以獲取 monitor ，這也就是為什么notify/notifyAll和wait方法必須在synchronized代碼塊或者synchronized方法調(diào)用的原因斩例。
注意
- 需要特別理解的一點是雄人，與sleep方法不同的是wait方法調(diào)用完成后，線程將被暫停
- wait方法將會釋放當(dāng)前持有的監(jiān)視器鎖(monitor)念赶，直到有線程調(diào)用notify/notifyAll方法后方能繼續(xù)執(zhí)行
- 而sleep方法只讓線程休眠并不釋放鎖
- 同時notify/notifyAll方法調(diào)用后础钠，并不會馬上釋放監(jiān)視器鎖，而是在相應(yīng)的synchronized(){}/synchronized方法執(zhí)行結(jié)束后才自動釋放鎖叉谜。
Ref：
http://blog.csdn.net/javazejian/article/details/72828483
http://blog.csdn.net/chenssy/article/details/54883355
