转自：https://www.cnblogs.com/xckxue/p/8685675.html
介绍
synchronized是一种独占式的重量级锁，在运行到同步方法或者同步代码块的时候，让程序的运行级别由用户态切换到内核态，把所有的线程挂起，通过操作系统的指令，去调度线程。这样会频繁出现程序运行状态的切换，线程的挂起和唤醒，会消耗系统资源，为了提高效率，引入了偏向锁、轻量级锁、尽量让多线程访问公共资源的时候，不进行程序运行状态的切换。
synchronized实现原理
synchronized是在jvm中实现，是基于进入和退出Monitor对象来实现方法和代码块的同步
同步代码块：
monitorenter指令插入到同步代码块的开始位置，monitorexit指令插入到同步代码块的结束位置，JVM需要保证每一个monitorenter都有一个monitorexit与之相对应。任何对象都有一个monitor与之相关联，当且一个monitor被持有之后，他将处于锁定状态。线程执行到monitorenter指令时，将会尝试获取对象所对应的monitor所有权，即尝试获取对象的锁；
同步方法
synchronized方法则会被翻译成普通的方法调用和返回指令如:invokevirtual、areturn指令，有一个ACC_SYNCHRONIZED标志，JVM就是通过该标志来判断是否需要实现同步的，具体过程为：当线程执行该方法时，会先检查该方法是否标志了ACC_SYNCHRONIZED，如果标志了，线程需要先获取monitor，获取成功后才能调用方法，方法执行完后再释放monitor，在该线程调用方法期间，其他线程无法获取同一个monitor对象。其实本质上和synchronized块相同，只是同步方法是用一种隐式的方式来实现，而不是显式地通过字节码指令。
synchronized 作用
- 确保线程互斥的访问同步代码
- 保证共享变量的修改能够及时可见
- 有效解决重排序问题
Java中每一个对象都可以作为锁，这是synchronized实现同步的基础：
- 普通同步方法，锁是当前实例对象
- 静态同步方法，锁是当前类的class对象
- 同步方法块，锁是括号里面的对象
自旋概念
互斥同步对性能最大的影响是阻塞的实现，挂起线程和恢复线程的操作都需要转入内核态中完成，这些操作给系统的并发性能 带来了很大的压力。同时，虚拟机的开发团队也注意到在许多应用上，共享数据的锁定状态只会持续很短的一段时间，为了这段时间去挂起和恢复线程并不值得。如 果物理机器有一个以上的处理器，能让两个或以上的线程同时并行执行，我们就可以让后面请求锁的那个线程“稍等一会”，但不放弃处理器的执行时间，看看持有 锁的线程是否很快就会释放锁。为了让线程等待，我们只须让线程执行一个忙循环（自旋），这项技术就是所谓的自旋锁。
—>自旋锁在JDK 1.4.2中就已经引入，只不过默认是关闭的，可以使用-XX:+UseSpinning参数来开启，在JDK 1.6中就已经改为默认开启了。自旋等待不能代替阻塞，且先不说对处理器数量的要求，自旋等待本身虽然避免了线程切换的开销，但它是要占用处理器时间的， 所以如果锁被占用的时间很短，自旋等待的效果就会非常好，反之如果锁被占用的时间很长，那么自旋的线程只会白白消耗处理器资源，而不会做任何有用的工作， 反而会带来性能的浪费。因此自旋等待的时间必须要有一定的限度，如果自旋超过了限定的次数仍然没有成功获得锁，就应当使用传统的方式去挂起线程了。自旋次 数的默认值是10次，用户可以使用参数-XX:PreBlockSpin来更改。
—>在JDK 1.6中引入了自适应的自旋锁。自适应意味着自旋的时间不再固定了，而是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定。如果在同一个锁对象 上，自旋等待刚刚成功获得过锁，并且持有锁的线程正在运行中，那么虚拟机就会认为这次自旋也很有可能再次成功，进而它将允许自旋等待持续相对更长的时间， 比如100个循环。另一方面，如果对于某个锁，自旋很少成功获得过，那在以后要获取这个锁时将可能省略掉自旋过程，以避免浪费处理器资源。有了自适应自 旋，随着程序运行和性能监控信息的不断完善，虚拟机对程序锁的状况预测就会越来越准确，虚拟机就会变得越来越“聪明”了。
锁削除
锁削除是指虚拟机即时编译器在运行时，对一些代码上要求同步，但是被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行削除。锁削除的主要判定依据来源于逃逸分析的数据支持，如果判断到一段代码中，在堆上的所有数据都不会逃逸出去被其他线程访问到，那就可以把它们当作栈上数据对待， 认为它们是线程私有的，同步加锁自然就无须进行。
变量是否逃逸，对于虚拟机来说需要使用数据流分析来确定，但是程序员自己应该是很清楚的，怎么会在明知道不存在数据争用的 情况下要求同步呢？答案是有许多同步措施并不是程序员自己加入的，同步的代码在Java程序中的普遍程度也许超过了大部分读者的想象。比如：（只是说明概念，但实际情况并不一定如例子）在线程安全的环境中使用stringBuffer进行字符串拼加。则会在java文件编译的时候，进行锁销除。
锁粗化
我们在编写代码的时候，总是推荐将同步块的作用范围限制得尽量小——只在共享数据的实际作用域中才进行同步，这样是为了使得需要同步的操作数量尽可能变小，如果存在锁竞争，那等待锁的线程也能尽快地拿到锁。
大部分情况下，上面的原则都是正确的，但是如果一系列的连续操作都对同一个对象反复加锁和解锁，甚至加锁操作是出现在循环体中的，那即使没有线程竞争，频繁地进行互斥同步操作也会导致不必要的性能损耗。如果虚拟机探测到有这样一串零碎的操作都对同一个对象加锁，将会把加锁同步的范围扩展（锁粗化）到整个操作序列的外部。
锁的状态
锁一共有四种状态（由低到高的次序）：无锁状态，偏向锁状态，轻量级锁状态，重量级锁状态
锁的等级只可以升级，不可以降级。这种锁升级却不能降级的策略，目的是为了提高获得锁和释放锁的效率。
偏向锁
大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一个线程多次获得，为了让线程获得所得代价更低而引入了偏向锁，当一个线程访问同步代码块并获取锁时，会在线程的栈帧里创建lockRecord，在lockRecord里和锁对象的MarkWord里存储线程a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，说明是其他线程访问这个对象，因为偏向锁不会主动释放，所以第二个线程可以看到对象时偏向状态，这时表明在这个对象上已经存在竞争了，检查原来持有该对象锁的线程是否依然存活，如果挂了，则可以将对象变为无锁状态，然后重新偏向新的线程，如果原来的线程依然存活，则检查该对象的使用情况，如果仍然需要持有偏向锁，则偏向锁升级为轻量级锁（偏向锁就是这个时候升级为轻量级锁的）。如果不存在使用了，则可以将对象回复成无锁状态，然后重新偏向。
轻量级锁
线程在执行同步块之前，JVM会先在当前线程的栈桢中创建用于存储锁记录的空间，并将对象头中的Mark Word复制到锁记录中，然后线程尝试使用CAS将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针。如果成功，当前线程获得锁，如果失败，表示其他线程竞争锁，当前线程便尝试使用自旋来获取锁。如果，完成自旋策略还是发现线程没有释放锁，或者让别的线程占用，则线程试图将轻量级锁升级为重量级锁。
轻量级锁认为竞争存在，但是竞争的程度很轻，一般两个线程对于同一个锁的操作都会错开，或者说稍微等待一下（自旋），另一个线程就会释放锁。 但是当自旋超过一定的次数，或者一个线程在持有锁，一个在自旋，又有第三个来访时，轻量级锁膨胀为重量级锁，重量级锁使除了拥有锁的线程以外的线程都阻塞，防止CPU空转。
重量级锁
就是让争抢锁的线程从用户态转换成内核态。让cpu借助操作系统进行线程协调。
具体流程
每一个线程在准备获取共享资源时：
第一步，检查MarkWord里面是不是放的自己的ThreadId ,如果是，表示当前线程是处于 “偏向锁”.跳过轻量级锁直接执行同步体。
第二步，如果MarkWord不是自己的ThreadId,锁升级，这时候，用CAS来执行切换，新的线程根据MarkWord里面现有的ThreadId，通知之前线程暂停，之前线程将Markword的内容置为空。
第三步，两个线程都把对象的HashCode复制到自己新建的用于存储锁的记录空间，接着开始通过CAS操作，把共享对象的MarKword的内容修改为自己新建的记录空间的地址的方式竞争MarkWord.
第四步，第三步中成功执行CAS的获得资源，失败的则进入自旋.
第五步，自旋的线程在自旋过程中，成功获得资源(即之前获的资源的线程执行完成并释放了共享资源)，则整个状态依然处于轻量级锁的状态，如果自旋失败
第六步，进入重量级锁的状态，这个时候，自旋的线程进行阻塞，等待之前线程执行完成并唤醒自己.
偏向锁，轻量级锁，重量级锁对比
| 锁 | 优点 | 缺点 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| 偏向锁 | 加锁和解锁不需要额外的消耗，和执行非同步方法相比仅存在纳秒级的差距 | 如果线程间存在锁竞争，会带来额外的锁撤销的消耗 | 适用于只有一个线程访问同步块场景（只有一个线程进入临界区） |
| 轻量级锁 | 竞争的线程不会阻塞，提高了程序的响应速度 | 如果始终得不到索竞争的线程，使用自旋会消耗CPU | 追求响应速度，同步块执行速度非常快（多个线程交替进入临界区） |
| 重量级锁 | 线程竞争不使用自旋，不会消耗CPU | 线程阻塞，响应时间缓慢 | 追求吞吐量，同步块执行速度较慢（多个线程同时进入临界区） |
如果上面的没看懂，可以先看看下面形象的例子：
打个比喻，假设你要回家上厕所，你要关上家里的大门，再关上自己房间的门，再关上房间厕所的门。如果你是一个人在家的话，那么其实只要关上家里的大门就好了，没人会来跟你抢上厕所（或者偷窥你~），就不用关上房间门和厕所门了，这就是偏向锁，只是你一个人的情况时才有用，即一个线程在获取锁的时候，重入的时候就不用做任何操作了，这不是很省事嘛。
那，如果家里有人，你就不能这么做了，他可能会跟你抢厕所呢，这就是偏向锁膨胀成轻量级锁。这就是多个线程交替获取锁的情况。那这个时候又要怎么做呢？比如说你哥上着厕所了，你也想上厕所，你猜你哥上厕所的时间不会太久，于是你就在厕所门口等一会（自旋），以前synchronized的方案就是让你回房间躺着等（阻塞），可能回房间的时间都比你拉尿的时间长（挂起线程的时间比执行同步方法中的时间还要长的情况）。这就是轻量级锁。
接着上面的故事，当你等的有点久了，你会觉得你哥可能这次要上很久了，所以你就回房间等了（阻塞），这时候就从轻量级锁升级到重量级锁了。