Java并发之synchronized关键字
一.基本使用和语义
synchronized可以用于修饰方法或代码块。修饰代码块时锁是后面括号里的对象。修饰方法分为实例方法和静态方法。修饰实例方法时锁是调用方法的对象；修饰静态方法时锁是类对象。再解释一下这个类对象。在java中'一切'都是对象，连对象的模板——类本身也是对象，存储在虚拟机运行时数据区域的方法区。
synchronized是java从语言层面提供的，通过‘互斥同步’来实现并发正确性的机制。它的语义是只有获得锁之后才能执行相应的代码，每次只能有一个线程获取锁。需要注意的是对一个线程来说synchronized同步块是可重入的，对不同线程是互斥的。具体表现如，一个线程获取到synchronized锁进入到一个实例方法中后，其它线程则不能再进入同一个方法或本对象的其它实例方法，因为它们都由同一个锁绑定。同时获取到锁的线程还可以继续调用其它synchronized方法，不会出现自己把自己锁死的情况。
原子性：
基本数据类型的访问读写是具备原子性的；
synchronized反映到字节码的层面是monitorenter和monitorexit。在synchronized块之间的操作也具备原子性。
可见性：
可见性是指一个线程修改了共享变量的值，其他线程能够立即得知这个修改。
volatile、synchronized、final可以实现可见性。
volatile通过变量修改会将新值立即同步回主内存，来保证可见性；
synchronized通过‘对一个变量执行unlocak操作之前，必须先把此变量同步回主内存中’保证可见性。
final：被final修饰的字段在构造器中一旦初始化完成，并且构造器没有把this的引用传递出去，那在其它线程中就能看见final字段的值
有序性：
volatile、synchronized
volatile本身有禁止指令重排序，保证在其之前的语句在其之前执行，其之后的语句在其之后执行。
synchronized：‘一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作’，这条规则则决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行进入。
二.实现原理
Java的线程是映射到操作系统的线程之上的，也就是说线程的调度、阻塞、唤醒等都需要操作系统来帮忙完成，这就涉及到用户态到内核态的切换。
Java中的每个对象都有作为锁的潜质，这是通过Java对象的对象头实现的。Java对象的存储结构由三部分组成对象头、实例数据和填充数据。其中对象头信息又包括Mark Word、类元信息。其中类元信息是指向对象所属类对象的指针。
Mark Word中是一些状态信息，包括锁标志位：重量级锁(synchronized)，偏向锁，轻量级锁和GC标记。当处于重量级锁10状态时就是有线程获取了synchronized锁，这时Mark word中还有记录指向monitor对象的指针。对于每一个对象都有一个monitor对象与之对应。monitor对象是实现synchronized的关键。它是使用操作系统互斥量来实现的。维持一个Entry_list记录阻塞的线程队列和一个Wait_list记录调用了wait()方法的队列。
三.锁优化
synchronized是基于互斥同步的，这种实现设计到线程的阻塞，而挂起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。所以有了以下JVM的优化措施。
3.1自旋锁与自适应锁
获取锁的的时候，如果不成功，不是马上放弃处理时间进入阻塞状态，而是自己循环等待一下。因为阻塞的代价较大，而且大多数时候锁很快就能释放，自旋等待容易等到锁的释放。
自适应的自旋锁，自旋的时间不再固定，如果上一次自旋获得了锁，那么下一次还倾向于认为能自旋成功，所以可以多等一会。反之，如果对于某个锁自旋很少成功，那么之后获取这个锁时倾向于减少等待时间甚至取消自旋。
3.2锁消除
数据只有在被多线程访问时才可能有并发问题，如果JVM判断出在一段代码中，堆上的所有数据都不会逃逸出去而被其他线程访问到，那就可以把它们当做栈上的数据对待，认为它们是线程私有的，同步加锁就不需要了。
eg.jdk1.5之前，String的加法操作会转换为StringBuffer的append()方法，这个方法是用synchronized修饰。而有时候这是不必要的。
3.3锁粗化
消除频繁加锁的影响，如在循环加锁，可以移到循环外部，提交效率。
3.4轻量级锁
实践表明，大多数情况下同步代码并不存在多线程竞争。这种情况下再每次都使用重量级锁的互斥量，开销就很大。这里的轻量是和使用操作系统互斥量来实现的传统锁而言的。MarkWord锁标志位为00时表示处于轻量级锁状态。（锁标志位：00轻量级锁，01未锁定\可偏向,10重量级锁,11GC标志。）
过程：
在代码进入同步块时，如果此同步对象没有被锁定（标志位01），虚拟机首先在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用于存储MarkWord的拷贝。
然后，虚拟机将使用CAS操作尝试将对象的mark word更新为指向Lock Record的指针。如果成功，则该线程就拥有了该对象的锁，且对象处于轻量级锁定的状态。执行完同步块代码后释放锁即可，整个过程不涉及操作系统互斥量等。如果一直没有线程竞争，就会每次都使用轻量级锁。
如果CAS操作失败，虚拟机首先会检查对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果是说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那就可以直接进入同步快继续执行。否则，说明这个锁被其它线程抢占了。那么轻量级锁就要膨胀为重量级锁。
解锁过程也是通过CAS操作来进行的，如果mark word仍然指向这线程的锁记录，那就用CAS操作把当前对象的mark word和栈帧中的displaced mark word换回来，如果替换成功，整个同步过程就完成了。如果失败，说明有其他线程获取过该锁，那就要在释放锁的同时，唤醒被挂起的线程。
3.5偏向锁
偏向锁的意思是这个锁会偏向于第一个获得它的线程，如果在接下来的执行过程中，该锁没有被其他的线程获取，则持有偏向锁的线程将永远不需要再进行同步。
过程：
当锁对象第一次被线程获取的时候，虚拟机会把对象头中的标志位设置为01，即偏向模式。同时使用CAS操作把获取到这个锁的线程的ID记录在对象的Mark Word中，如果CAS操作成功，持有偏向锁的线程以后每次进入这个锁相关的同步块时，虚拟机都可以不再进行任何同步操作。当有另一个线程尝试获取这个锁时，偏向模式就宣告结束。根据锁对象目前是否处于被锁定的状态，撤销偏向后恢复到未锁定或轻量级锁定的状态。
