synchronized的三種應用方式
- 一. 修飾實例方法，作用於當前實例加鎖，進入同步代碼前要獲得當前實例的鎖。
- 二. 修飾靜態方法，作用於當前類對象加鎖，進入同步代碼前要獲得當前類對象的鎖。
- 三. 修飾代碼塊，指定加鎖對象，對給定對象加鎖，進入同步代碼庫前要獲得給定對象。
synchronized的字節碼指令
synchronized同步塊使用了monitorenter和monitorexit指令實現同步，這兩個指令，本質上都是對一個對象的監視器(monitor)進行獲取，這個過程是排他的，也就是說同一時刻只能有一個線程獲取到由synchronized所保護對象的監視器。
線程執行到monitorenter指令時，會嘗試獲取對象所對應的monitor所有權，也就是嘗試獲取對象的鎖，而執行monitorexit，就是釋放monitor的所有權。
synchronized的鎖的原理
兩個重要的概念：一個是對象頭，另一個是monitor。
Java對象頭
在Hotspot虛擬機中，對象在內存中的布局分為三塊區域：對象頭（Mark Word、Class Metadata Address）、實例數據和對齊填充；Java對象頭是實現synchronized的鎖對象的基礎。一般而言，synchronized使用的鎖對象是存儲在Java對象頭里。它是輕量級鎖和偏向鎖的關鍵。
Mark Word
Mark Word用於存儲對象自身的運行時數據，如哈希碼（HashCode）、GC分代年齡、鎖狀態標志、線程持有的
鎖、偏向線程 ID、偏向時間戳等等。Java對象頭一般占有兩個機器碼（在32位虛擬機中，1個機器碼等於4字節，
也就是32bit）。
32位JVM的Mark Word的默認存儲結構如下：
| 25 bit | 4bit | 1bit 是否是偏向鎖 |
2bit 鎖標志位 |
|
|---|---|---|---|---|
| 無鎖狀態 | 對象的hashCode | 對象分代年齡 | 0 | 01 |
Class Metadata Address
類型指針，即是對象指向它的類的元數據的指針，虛擬機通過這個指針來確定這個對象是哪個類的實例。
Array length
如果對象是一個Java數組，那在對象頭中還必須有一塊用於記錄數組長度的數據。
Monitor
Monitor是一個同步工具，它內置於每一個Object對象中，相當於一個許可證。拿到許可證即可以進行操作，沒有拿到則需要阻塞等待。
在hotspot虛擬機中，通過ObjectMonitor類來實現monitor。
synchronized鎖的優化
jdk1.6以后對synchronized的鎖進行了優化，引入了偏向鎖、輕量級鎖，鎖的級別從低到高逐步升級：
無鎖->偏向鎖->輕量級鎖->重量級鎖
自旋鎖與自適應自旋
線程的掛起和恢復會極大的影響開銷。並且jdk官方人員發現，很多線程在等待鎖的時候，在很短的一段時間就獲得了鎖，所以它們在線程等待的時候，並不需要把線程掛起，而是讓他無目的的循環，一般設置10次。這樣就避免了線程切換的開銷，極大的提升了性能。
而適應性自旋，是賦予了自旋一種學習能力，它並不固定自旋10次一下。他可以根據它前面線程的自旋情況，從而調整它的自旋，甚至是不經過自旋而直接掛起。
鎖消除
對不會存在線程安全的鎖進行消除。
鎖粗化
如果jvm檢測到有一串零碎的操作都對同一個對象加鎖，將會把鎖粗化到整個操作外部，如循環體。
偏向鎖
多數情況下，鎖不僅不存在多線程競爭，而且總是由同一線程多次獲得，為了讓其獲得鎖的代價更低而引入了偏向鎖。
- 當一個線程訪問同步塊並獲取鎖時，會在對象頭和棧幀中的鎖記錄里存儲鎖偏向的線程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，則需要再測試一下Mark Word中偏向鎖的標識是否設置成01（表示當前是偏向鎖）。
- 如果沒有設置，則使用CAS競爭鎖。
- 如果設置了，則嘗試使用CAS將對象頭的偏向鎖指向當前線程。
輕量級鎖
引入輕量級鎖的主要目的是在多線程競爭不激烈的情況下，通過CAS競爭鎖，減少傳統的重量級鎖使用操作系統互斥量產生的性能消耗。
輕量級鎖的執行過程：在代碼進入同步塊的時候，如果同步對象沒有被鎖定,虛擬機首先將在當前線程的棧幀中建立一個名為鎖記錄（Lock Record）的空間,用於存儲對象目前Mark Word的拷貝，這時候線程堆棧與對象頭的狀態如圖所示：
然后虛擬機將使用CAS操作嘗試將對象頭中的Mark Word 更新為指向當前線程Lock Record的指針，如果這個更新執行成功了，那么這個線程就擁有了這個對象的鎖，並且將Mard Word中的標記位改為00，即表示該對象處於輕量級鎖狀態，這時候線程堆和對象頭的狀態如圖所示：
如果這個狀態更新失敗了，虛擬機將會檢查對象中的Mark Word 是否指向當前線程的棧幀，如果是直接進入同步代碼塊 執行，如果不是 說明有線程競爭。如果有兩條以上的線程在搶占資源，那輕量級鎖就不再有效，要膨脹為重量級鎖，鎖的狀態更改為10， Mard Word中存儲的就是指向重量級鎖的指針 后面等待的鎖就要進入阻塞狀態。
重量級鎖
重量級鎖通過對象內部的監視器（monitor）實現，其中monitor的本質是依賴於底層操作系統的Mutex Lock實現，操作系統實現線程之間的切換需要從用戶態到內核態的切換，切換成本非常高。
鎖升級
- 偏向鎖升級輕量級鎖：當一個對象持有偏向鎖，一旦第二個線程訪問這個對象，如果產生競爭，偏向鎖升級為輕量級鎖。
- 輕量級鎖升級重量級鎖：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。
wait和notify的原理
調用wait方法，首先會獲取監視器鎖，獲得成功以后，會讓當前線程進入等待狀態，進入等待隊列並且釋放鎖。
當其他線程調用notify后，會選擇從等待隊列中喚醒任意一個線程，而執行完notify方法以后，並不會立馬喚醒線程，原因是當前的線程仍然持有這把鎖，處於等待狀態的線程無法獲得鎖。必須要等到當前的線程執行完按monitorexit指令以后，也就是鎖被釋放以后，處於等待隊列中的線程就可以開始競爭鎖了。
wait和notify為什么需要在synchronized里面？
wait方法的語義有兩個，一個是釋放當前的對象鎖、另一個是使得當前線程進入阻塞隊列，而這些操作都和監視器是相關的，所以wait必須要獲得一個監視器鎖。
而對於notify來說也是一樣，它是喚醒一個線程，既然要去喚醒，首先得知道它在哪里，所以就必須要找到這個對象獲取到這個對象的鎖，然后到這個對象的等待隊列中去喚醒一個線程。
鎖的優缺點對比
| 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 |
| 輕量級鎖 | 競爭的線程不會阻塞，提高了程序的響應速度 | 如果始終得不到鎖競爭的線程使用自旋會消耗CPU | 追求響應時間,鎖占用時間很短 |
| 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,鎖占用時間較長 |
參考自：
https://blog.csdn.net/u011212394/article/details/82228321
https://www.cnblogs.com/wade-luffy/p/5969418.html
https://blog.csdn.net/sinat_41832255/article/details/89309944