介紹
synchronized是一種獨占式的重量級鎖，在運行到同步方法或者同步代碼塊的時候，讓程序的運行級別由用戶態切換到內核態，把所有的線程掛起，通過操作系統的指令，去調度線程。這樣會頻繁出現程序運行狀態的切換，線程的掛起和喚醒，會消耗系統資源，為了提高效率，引入了偏向鎖、輕量級鎖、盡量讓多線程訪問公共資源的時候，不進行程序運行狀態的切換。
synchronized實現原理
synchronized是在jvm中實現，是基於進入和退出Monitor對象來實現方法和代碼塊的同步
同步代碼塊：
monitorenter指令插入到同步代碼塊的開始位置，monitorexit指令插入到同步代碼塊的結束位置，JVM需要保證每一個monitorenter都有一個monitorexit與之相對應。任何對象都有一個monitor與之相關聯，當且一個monitor被持有之后，他將處於鎖定狀態。線程執行到monitorenter指令時，將會嘗試獲取對象所對應的monitor所有權，即嘗試獲取對象的鎖；
同步方法
synchronized方法則會被翻譯成普通的方法調用和返回指令如:invokevirtual、areturn指令，有一個ACC_SYNCHRONIZED標志，JVM就是通過該標志來判斷是否需要實現同步的，具體過程為：當線程執行該方法時，會先檢查該方法是否標志了ACC_SYNCHRONIZED，如果標志了，線程需要先獲取monitor，獲取成功后才能調用方法，方法執行完后再釋放monitor，在該線程調用方法期間，其他線程無法獲取同一個monitor對象。其實本質上和synchronized塊相同，只是同步方法是用一種隱式的方式來實現，而不是顯式地通過字節碼指令。
synchronized 作用
（1）確保線程互斥的訪問同步代碼
（2）保證共享變量的修改能夠及時可見
（3）有效解決重排序問題
Java中每一個對象都可以作為鎖，這是synchronized實現同步的基礎：
- 普通同步方法，鎖是當前實例對象
- 靜態同步方法，鎖是當前類的class對象
- 同步方法塊，鎖是括號里面的對象
自旋概念
互斥同步對性能最大的影響是阻塞的實現，掛起線程和恢復線程的操作都需要轉入內核態中完成，這些操作給系統的並發性能 帶來了很大的壓力。同時，虛擬機的開發團隊也注意到在許多應用上，共享數據的鎖定狀態只會持續很短的一段時間，為了這段時間去掛起和恢復線程並不值得。如 果物理機器有一個以上的處理器，能讓兩個或以上的線程同時並行執行，我們就可以讓后面請求鎖的那個線程“稍等一會”，但不放棄處理器的執行時間，看看持有 鎖的線程是否很快就會釋放鎖。為了讓線程等待，我們只須讓線程執行一個忙循環（自旋），這項技術就是所謂的自旋鎖。
--->自旋鎖在JDK 1.4.2中就已經引入，只不過默認是關閉的，可以使用-XX:+UseSpinning參數來開啟，在JDK 1.6中就已經改為默認開啟了。自旋等待不能代替阻塞，且先不說對處理器數量的要求，自旋等待本身雖然避免了線程切換的開銷，但它是要占用處理器時間的， 所以如果鎖被占用的時間很短，自旋等待的效果就會非常好，反之如果鎖被占用的時間很長，那么自旋的線程只會白白消耗處理器資源，而不會做任何有用的工作， 反而會帶來性能的浪費。因此自旋等待的時間必須要有一定的限度，如果自旋超過了限定的次數仍然沒有成功獲得鎖，就應當使用傳統的方式去掛起線程了。自旋次 數的默認值是10次，用戶可以使用參數-XX:PreBlockSpin來更改。
--->在JDK 1.6中引入了自適應的自旋鎖。自適應意味着自旋的時間不再固定了，而是由前一次在同一個鎖上的自旋時間及鎖的擁有者的狀態來決定。如果在同一個鎖對象 上，自旋等待剛剛成功獲得過鎖，並且持有鎖的線程正在運行中，那么虛擬機就會認為這次自旋也很有可能再次成功，進而它將允許自旋等待持續相對更長的時間， 比如100個循環。另一方面，如果對於某個鎖，自旋很少成功獲得過，那在以后要獲取這個鎖時將可能省略掉自旋過程，以避免浪費處理器資源。有了自適應自 旋，隨着程序運行和性能監控信息的不斷完善，虛擬機對程序鎖的狀況預測就會越來越准確，虛擬機就會變得越來越“聰明”了。
鎖削除
鎖削除是指虛擬機即時編譯器在運行時，對一些代碼上要求同步，但是被檢測到不可能存在共享數據競爭的鎖進行削除。鎖削除的主要判定依據來源於逃逸分析的數 據支持，如果判斷到一段代碼中，在堆上的所有數據都不會逃逸出去被其他線程訪問到，那就可以把它們當作棧上數據對待， 認為它們是線程私有的，同步加鎖自然就無須進行。
變量是否逃逸，對於虛擬機來說需要使用數據流分析來確定，但是程序員自己應該是很清楚的，怎么會在明知道不存在數據爭用的 情況下要求同步呢？答案是有許多同步措施並不是程序員自己加入的，同步的代碼在Java程序中的普遍程度也許超過了大部分讀者的想象。比如：（只是說明概念，但實際情況並不一定如例子）在線程安全的環境中使用stringBuffer進行字符串拼加。則會在java文件編譯的時候，進行鎖銷除。
鎖粗化
我們在編寫代碼的時候，總是推薦將同步塊的作用范圍限制得盡量小——只在共享數據的實際作用域中才進行同步，這樣是為了使得需要同步的操作數量盡可能變小，如果存在鎖競爭，那等待鎖的線程也能盡快地拿到鎖。
大部分情況下，上面的原則都是正確的，但是如果一系列的連續操作都對同一個對象反復加鎖和解鎖，甚至加鎖操作是出現在循環體中的，那即使沒有線程競爭，頻繁地進行互斥同步操作也會導致不必要的性能損耗。如果虛擬機探測到有這樣一串零碎的操作都對同一個對象加鎖，將會把加鎖同步的范圍擴展（鎖粗化）到整個操作序列的外部。
鎖的狀態
鎖一共有四種狀態（由低到高的次序）：無鎖狀態，偏向鎖狀態，輕量級鎖狀態，重量級鎖狀態
鎖的等級只可以升級，不可以降級。這種鎖升級卻不能降級的策略，目的是為了提高獲得鎖和釋放鎖的效率。
偏向鎖
大多數情況下，鎖不僅不存在多線程競爭，而且總是由同一個線程多次獲得，為了讓線程獲得所得代價更低而引入了偏向鎖，當一個線程訪問同步代碼塊並獲取鎖時，會在線程的棧幀里創建lockRecord，在lockRecord里和鎖對象的MarkWord里存儲線程a的線程id.以后該線程在進入和退出同步塊時不需要進行CAS操作來加鎖和解鎖，只需簡單地測試一下對象頭的Mark Word里是否存儲着指向當前線程的偏向鎖。如果測試成功，表示線程已經獲得了鎖。如果測試失敗，說明是其他線程訪問這個對象，因為偏向鎖不會主動釋放，所以第二個線程可以看到對象時偏向狀態，這時表明在這個對象上已經存在競爭了，檢查原來持有該對象鎖的線程是否依然存活，如果掛了，則可以將對象變為無鎖狀態，然后重新偏向新的線程，如果原來的線程依然存活，則檢查該對象的使用情況，如果仍然需要持有偏向鎖，則偏向鎖升級為輕量級鎖（偏向鎖就是這個時候升級為輕量級鎖的）。如果不存在使用了，則可以將對象回復成無鎖狀態，然后重新偏向。
輕量級鎖
線程在執行同步塊之前，JVM會先在當前線程的棧楨中創建用於存儲鎖記錄的空間，並將對象頭中的Mark Word復制到鎖記錄中，然后線程嘗試使用CAS將對象頭中的Mark Word替換為指向鎖記錄的指針。如果成功，當前線程獲得鎖，如果失敗，表示其他線程競爭鎖，當前線程便嘗試使用自旋來獲取鎖。如果，完成自旋策略還是發現線程沒有釋放鎖，或者讓別的線程占用，則線程試圖將輕量級鎖升級為重量級鎖。
輕量級鎖認為競爭存在，但是競爭的程度很輕，一般兩個線程對於同一個鎖的操作都會錯開，或者說稍微等待一下（自旋），另一個線程就會釋放鎖。 但是當自旋超過一定的次數，或者一個線程在持有鎖，一個在自旋，又有第三個來訪時，輕量級鎖膨脹為重量級鎖，重量級鎖使除了擁有鎖的線程以外的線程都阻塞，防止CPU空轉。
重量級鎖
就是讓爭搶鎖的線程從用戶態轉換成內核態。讓cpu借助操作系統進行線程協調。
具體流程
每一個線程在准備獲取共享資源時：
第一步，檢查MarkWord里面是不是放的自己的ThreadId ,如果是，表示當前線程是處於 “偏向鎖”.跳過輕量級鎖直接執行同步體。
第二步，如果MarkWord不是自己的ThreadId,鎖升級，這時候，用CAS來執行切換，新的線程根據MarkWord里面現有的ThreadId，通知之前線程暫停，之前線程將Markword的內容置為空。
第三步，兩個線程都把對象的HashCode復制到自己新建的用於存儲鎖的記錄空間，接着開始通過CAS操作，把共享對象的MarKword的內容修改為自己新建的記錄空間的地址的方式競爭MarkWord.
第四步，第三步中成功執行CAS的獲得資源，失敗的則進入自旋.
第五步，自旋的線程在自旋過程中，成功獲得資源(即之前獲的資源的線程執行完成並釋放了共享資源)，則整個狀態依然處於輕量級鎖的狀態，如果自旋失敗
第六步，進入重量級鎖的狀態，這個時候，自旋的線程進行阻塞，等待之前線程執行完成並喚醒自己.
偏向鎖，輕量級鎖，重量級鎖對比
| 鎖 | 優點 | 缺點 | 適用場景 |
|---|---|---|---|
| 偏向鎖 | 加鎖和解鎖不需要額外的消耗，和執行非同步方法相比僅存在納秒級的差距 | 如果線程間存在鎖競爭，會帶來額外的鎖撤銷的消耗 | 適用於只有一個線程訪問同步塊場景（只有一個線程進入臨界區） |
| 輕量級鎖 | 競爭的線程不會阻塞，提高了程序的響應速度 | 如果始終得不到索競爭的線程，使用自旋會消耗CPU | 追求響應速度，同步塊執行速度非常快（多個線程交替進入臨界區） |
| 重量級鎖 | 線程競爭不使用自旋，不會消耗CPU | 線程阻塞，響應時間緩慢 | 追求吞吐量，同步塊執行速度較慢（多個線程同時進入臨界區） |
如果上面的沒看懂，可以先看看下面形象的例子：
打個比喻，假設你要回家上廁所，你要關上家里的大門，再關上自己房間的門，再關上房間廁所的門。如果你是一個人在家的話，那么其實只要關上家里的大門就好了，沒人會來跟你搶上廁所（或者偷窺你~），就不用關上房間門和廁所門了，這就是偏向鎖，只是你一個人的情況時才有用，即一個線程在獲取鎖的時候，重入的時候就不用做任何操作了，這不是很省事嘛。
那，如果家里有人，你就不能這么做了，他可能會跟你搶廁所呢，這就是偏向鎖膨脹成輕量級鎖。這就是多個線程交替獲取鎖的情況。那這個時候又要怎么做呢？比如說你哥上着廁所了，你也想上廁所，你猜你哥上廁所的時間不會太久，於是你就在廁所門口等一會（自旋），以前synchronized的方案就是讓你回房間躺着等（阻塞），可能回房間的時間都比你拉尿的時間長（掛起線程的時間比執行同步方法中的時間還要長的情況）。這就是輕量級鎖。
接着上面的故事，當你等的有點久了，你會覺得你哥可能這次要上很久了，所以你就回房間等了（阻塞），這時候就從輕量級鎖升級到重量級鎖了。