前言：為什么使用synchronized？

在多線程編程中，一個資源會被多個線程共享，為了避免因為資源搶占導致數據錯亂，所以要對線程進行同步。因此，引入synchronized關鍵字。

以下，來探究下synchronized的使用和底層原理。

一、synchronized的作用

1.1原子性

原子性：指一個操作或多個操作，要么全部執行，要么全部不執行。

java中，賦值和讀取值的操作都是原子的。

但是i++，i+=1等操作不是原子的，因為這些操作在底層是不是一個操作，而是被分成了讀取，計算，賦值幾步操作，所以保證這幾步的原子性，才能保證i++的原子性。

注意：synchronized 可以保證原子性，但是volatile不能保證原子性。

1.2 可見性

可見性：指多線程訪問同一資源時，該資源對所有線程都是可見的。

synchronized對一個資源加鎖之后，在釋放鎖之前會將變量的修改刷新到主內存中，保證資源的可見的。

1.3 有序性

有序性：指程序中的代碼會按照一定的順序執行。

在java中，有編譯器重排，指令級重排以及系統重排，這些指令重排會使指令實際執行的順序與實際可見的順序不同。

synchronized保證了指令不會被重排，按照顯示的順序執行。

注：synchronized是可重入的。即一個線程已經獲取該資源的synchronized鎖時，還可以再次獲得該資源的鎖。

二、synchronized的作用范圍

synchronized關鍵字可以修飾靜態方法，實例函數，代碼塊。

public class SyncDemo {
    // 修飾靜態方法，對類加鎖
    public static synchronized void test1(){
    }

    // 修飾實例方法，對實例對象加鎖
    public synchronized void test2(){
        //修飾代碼塊，對類加鎖
        synchronized (SyncDemo.class){
        }
    }
    public void test3(){
        // 修飾代碼塊，對當前對象，即實例方法加鎖
        synchronized (this){
        }
    }

    public static void main(String[] args) {

    }
}

2.1 修飾靜態方法

由類加載機制可以知道，靜態方法是和類同時加載的，歸屬于類。所以當synchronized修飾靜態方法時，是對類加鎖。

2.2 修飾實例方法

synchronized修飾實例方法 ，即對當前實例方法加鎖。

2.3 修飾代碼塊

如上代碼：修飾的第一個代碼塊是對實例方法加鎖，修飾的第二個代碼塊是對類加鎖。所以修飾代碼塊時，是可以選擇加鎖對象的。

三、synchronized底層原理

我們將上述代碼反編譯成字節碼，看看底層實現原理。

從class字節碼文件可以看出，一個通過方法flags標志，一個是通過monitorenter和monitorexit指令。

3.1 修飾實例方法

可以看出，synchronized修飾實例方法時，是在方法的flags里面加了一個ACC_SYNCHRONIZED標志。

此標志表示JVM這是一個同步方法，該線程進入該方法時，需要先獲取對應的鎖，且鎖計數器加1，釋放時減1.

3.2 修飾代碼塊

從反編譯的字節碼可以看出，同步代碼塊是由monitorexit指令進入，然后monitorexit釋放鎖。

但是截圖中可以看出，有兩個monitorexit，這里為什么有兩個monitorexit？

第二個monitorexit是來處理異常的。正常情況下，第一個monitorexit之后會執行goto指令，而該指令的返回是后面的return。正常情況下只會執行第一個monitorexit釋放鎖，然后返回。

而如果執行中發生了異常，第二個monitorexit起作用了，它由編譯器自動生成，發生異常時處理異常，然后釋放鎖的。

四、synchronized鎖的底層原理實現

上面我們了解了JVM中如何實現synchronized鎖的，但是JVM中如何對對象加鎖的呢？

JVM中，對象由三部分構成：對象頭，實例數據，對齊填充。

先簡單介紹下實例數據和對齊填充：
實例數據：存放類的屬性數據信息，包括父類的屬性信息。如果是數組實例，還包括數組的長度。
對齊填充：不是必需部分，是虛擬機要求對象地址是8字節的整數倍，所以僅僅是用來字節對齊。
對象頭：包括兩個部分，Mark Word和Class Metadata Address。Mark Word存儲對象的hashCode，鎖信息，和分代年齡等信息；而后者記錄指針指向對象的類元信息，即確定對象是哪個類的實例。

鎖的狀態
額外說明下鎖的狀態，在JDK1.6之前，鎖只有無鎖和重量級鎖兩個狀態。在JDK1.6之后，對synchronized鎖進行了優化，鎖狀態有四個：無鎖狀態，偏向鎖，輕量級鎖，重量級鎖。

五、synchronized鎖的優化

因為JDK1.6之前，只有重量級鎖，所以使用synchronized會造成很大的消耗，所以之后，對synchronized鎖進行了優化。

5.1 偏向鎖

針對使用了synchronized鎖，但是實際操作時，不存在鎖競爭時，會加上偏向鎖。頭對象會標記偏向鎖的狀態位，見上圖。

這樣就減少了同一線程獲取鎖的代價。

5.2 輕量級鎖

由偏向鎖升級而來，當存在第二個鎖申請同一個鎖對象時，偏向鎖就會升級為輕量級鎖。

5.3 重量級鎖

由輕量級鎖升級而來，當同一時間有多個線程競爭鎖時，鎖會倍升級為重量級鎖。

5.4 鎖升級

鎖的狀態會一步步升級，無鎖——>偏向鎖——> 輕量級鎖——> 重量級鎖。而且鎖的升級是不可逆的。即升級到輕量級鎖，重量級鎖，是無法自動恢復到無鎖，偏向鎖的狀態的。

5.5 鎖消除

鎖消除是JVM另一種鎖優化機制，指編譯時，對上下文的分析，去除不可能存在競爭的鎖。

5.6 鎖粗化

鎖粗化也是JVM的一種鎖優化機制，通過擴大鎖的范圍，避免反復的加鎖和釋放鎖。