1.为什么要使用synchronized

在并发编程中存在线程安全问题，主要原因有：1.存在共享数据 2.多线程共同操作共享数据。关键字synchronized可以保证在同一时刻，只有一个线程可以执行某个方法或某个代码块，同时synchronized可以保证一个线程的变化可见（可见性），即可以代替volatile。synchronized是java1.5之前默认的同步方式，在1.6性能进行优化，某些场景下性能并不低于lock等JUC模块。

2.实现原理

synchronized可以保证方法或者代码块在运行时，同一时刻只有一个方法可以进入到临界区，同时它还可以保证共享变量的内存可见性，由虚拟机JVM操作系统级锁实现，jvm基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步，在HotSpot JVM实现中，锁有个专门的名字：对象监视器（管程）。

3.synchronized的三种应用方式

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（实例方法），锁是当前实例对象 ，进入同步代码前要获得当前实例的锁

静态同步方法，锁是当前类的class对象 ，进入同步代码前要获得当前类对象的锁

同步方法块，锁是括号里面的对象，对给定对象加锁，进入同步代码库前要获得给定对象的锁。

4.JVM对synchronized的锁优化

Synchronized是通过对象内部的一个叫做监视器锁（monitor）来实现的，监视器锁本质又是依赖于底层的操作系统的Mutex Lock（互斥锁）来实现的。而操作系统实现线程之间的切换需要从用户态转换到核心态，这个成本非常高，状态之间的转换需要相对比较长的时间，这就是为什么Synchronized效率低的原因。因此，这种依赖于操作系统Mutex Lock所实现的锁我们称之为“重量级锁”。

Java SE 1.6为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗，引入了“偏向锁”和“轻量级锁”：锁一共有4种状态，级别从低到高依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态。锁可以升级但不能降级。

1、偏向锁

偏向锁是JDK1.6中引用的优化，它的目的是消除数据在无竞争情况下的同步原语，进一步提高程序的性能。

偏向锁的获取：

判断是否为可偏向状态

如果为可偏向状态，则判断线程ID是否是当前线程，如果是进入同步块；

如果线程ID并未指向当前线程，利用CAS操作竞争锁，如果竞争成功，将Mark Word中线程ID更新为当前线程ID，进入同步块

如果竞争失败，等待全局安全点，准备撤销偏向锁，根据线程是否处于活动状态，决定是转换为无锁状态还是升级为轻量级锁。

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。

偏向锁的释放：

偏向锁使用了遇到竞争才释放锁的机制。偏向锁的撤销需要等待全局安全点，然后它会首先暂停拥有偏向锁的线程，然后判断线程是否还活着，如果线程还活着，则升级为轻量级锁，否则，将锁设置为无锁状态。

2、轻量级锁

轻量级锁也是在JDK1.6中引入的新型锁机制。它不是用来替换重量级锁的，它的本意是在没有多线程竞争的情况下，减少传统的重量级锁使用操作系统互斥量产生的性能消耗。

加锁过程：

在代码进入同步块的时候，如果此对象没有被锁定（锁标志位为“01”状态），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，用于存储对象目前Mark Word的拷贝（官方把这份拷贝加了一个Displaced前缀，即Displaced Mark Word）。然后虚拟机使用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向锁记录（Lock Record）的指针。如果更新成功，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象的Mark Word标志位转变为“00”，即表示此对象处于轻量级锁定状态；如果更新失败，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块中执行，否则说明这个锁对象已经被其他线程占有了。如果有两条以上的线程竞争同一个锁，那轻量级锁不再有效，要膨胀为重量级锁，锁标志变为“10”，Mark Word中存储的就是指向重量级锁的指针，而后面等待的线程也要进入阻塞状态。

解锁过程：

如果对象的Mark Word仍然指向线程的锁记录，那就用CAS操作将对象当前的Mark Word与线程栈帧中的Displaced Mark Word交换回来，如果替换成功，整个同步过程就完成了。如果替换失败，说明有其他线程尝试过获取该锁，那就要在释放锁的同时，唤醒被挂起的线程。

如果没有竞争，轻量级锁使用CAS操作避免了使用互斥量的开销，但如果存在竞争，除了互斥量的开销外，还额外发生了CAS操作，因此在有竞争的情况下，轻量级锁比传统重量级锁开销更大。

3、重量级锁

Synchronized的重量级锁是通过对象内部的一个叫做监视器锁（monitor）来实现的，监视器锁本质又是依赖于底层的操作系统的Mutex Lock（互斥锁）来实现的。而操作系统实现线程之间的切换需要从用户态转换到核心态，这个成本非常高，状态之间的转换需要相对比较长的时间，这就是为什么Synchronized效率低的原因。

4、自旋锁

互斥同步对性能影响最大的是阻塞的实现，挂起线程和恢复线程的操作都需要转入到内核态中完成，这些操作给系统的并发性能带来很大的压力。

于是在阻塞之前，我们让线程执行一个忙循环（自旋），看看持有锁的线程是否释放锁，如果很快释放锁，则没有必要进行阻塞。

5、锁消除

锁消除是指虚拟机即时编译器（JIT）在运行时，对一些代码上要求同步，但是检测到不可能发生数据竞争的锁进行消除。

6、锁粗化

如果虚拟机检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（粗化）到整个操作序列的外部。

Synchronized是Java中解决并发问题的一种最常用最简单的方法 ，他可以确保线程互斥的访问同步代码

因为synchronized关键字涉及到锁的概念，所以先来了解一些相关的锁知识。

5.说明和举例

java的内置锁：每个java对象都可以用做一个实现同步的锁，这些锁成为内置锁。线程进入同步代码块或方法的时候会自动获得该锁，在退出同步代码块或方法时会释放该锁。获得内置锁的唯一途径就是进入这个锁的保护的同步代码块或方法。java内置锁是一个互斥锁，这就是意味着最多只有一个线程能够获得该锁，当线程A尝试去获得线程B持有的内置锁时，线程A必须等待或者阻塞，知道线程B释放这个锁，如果B线程不释放这个锁，那么A线程将永远等待下去

java的对象锁和类锁：java的对象锁和类锁在锁的概念上基本上和内置锁是一致的，但是，两个锁实际是有很大的区别的，对象锁是用于对象实例方法，或者一个对象实例上的，类锁是用于类的静态方法或者一个类的class对象上的。我们知道，类的对象实例可以有很多个，但是每个类只有一个class对象，所以不同对象实例的对象锁是互不干扰的，但是每个类只有一个类锁。但是有一点必须注意的是，其实类锁只是一个概念上的东西，并不是真实存在的，它只是用来帮助我们理解锁定实例方法和静态方法的区别的上面已经对锁的一些概念有了一点了解，下面探讨synchronized关键字的用法。synchronized的用法：synchronized修饰方法和synchronized修饰代码块。下面分别分析这两种用法在对象锁和类锁上的效果。

对象锁的synchronized修饰方法和代码块：

publicclassTestSynchronized {publicvoidtest1()    {          synchronized(this)          {inti =5;while( i-- >0)              {                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" : "+ i);try{                          Thread.sleep(500);                    }catch(InterruptedException ie)                    {                    }                }          }      }publicsynchronizedvoidtest2()    {inti =5;while( i-- >0)          {                System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" : "+ i);try{                    Thread.sleep(500);                }catch(InterruptedException ie)              {                }          }      }publicstaticvoidmain(String[] args)    {          final TestSynchronized myt2 =newTestSynchronized();          Thread test1 =newThread(newRunnable() {publicvoidrun() {  myt2.test1();  }  },"test1");          Thread test2 =newThread(newRunnable() {publicvoidrun() { myt2.test2();  }  },"test2");          test1.start();;          test2.start();//        TestRunnable tr=new TestRunnable();

//        Thread test3=new Thread(tr);

//        test3.start();} }  test2 :4test2 :3test2 :2test2 :1test2 :0test1 :4test1 :3test1 :2test1 :1test1 :0

上述的代码，第一个方法时用了同步代码块的方式进行同步，传入的对象实例是this，表明是当前对象，当然，如果需要同步其他对象实例，也不可传入其他对象的实例；第二个方法是修饰方法的方式进行同步。因为第一个同步代码块传入的this，所以两个同步代码所需要获得的对象锁都是同一个对象锁，下面main方法时分别开启两个线程，分别调用test1和test2方法，那么两个线程都需要获得该对象锁，另一个线程必须等待。上面也给出了运行的结果可以看到：直到test2线程执行完毕，释放掉锁，test1线程才开始执行。（可能这个结果有人会有疑问，代码里面明明是先开启test1线程，为什么先执行的是test2呢？这是因为java编译器在编译成字节码的时候，会对代码进行一个重排序，也就是说，编译器会根据实际情况对代码进行一个合理的排序，编译前代码写在前面，在编译后的字节码不一定排在前面，所以这种运行结果是正常的， 这里是题外话，最主要是检验synchronized的用法的正确性）

如果我们把test2方法的synchronized关键字去掉，执行结果会如何呢？

test1 : 4test2 : 4test2 : 3test1 : 3test1 : 2test2 : 2test2 : 1test1 : 1test2 : 0test1 : 0

上面是执行结果，我们可以看到，结果输出是交替着进行输出的，这是因为，某个线程得到了对象锁，但是另一个线程还是可以访问没有进行同步的方法或者代码。进行了同步的方法（加锁方法）和没有进行同步的方法（普通方法）是互不影响的，一个线程进入了同步方法，得到了对象锁，其他线程还是可以访问那些没有同步的方法（普通方法）。这里涉及到内置锁的一个概念（此概念出自java并发编程实战第二章）：对象的内置锁和对象的状态之间是没有内在的关联的，虽然大多数类都将内置锁用做一种有效的加锁机制，但对象的域并不一定通过内置锁来保护。当获取到与对象关联的内置锁时，并不能阻止其他线程访问该对象，当某个线程获得对象的锁之后，只能阻止其他线程获得同一个锁。之所以每个对象都有一个内置锁，是为了免去显式地创建锁对象。所以synchronized只是一个内置锁的加锁机制，当某个方法加上synchronized关键字后，就表明要获得该内置锁才能执行，并不能阻止其他线程访问不需要获得该内置锁的方法。类锁的修饰（静态）方法和代码块：

publicclassTestSynchronized {publicvoidtest1()    {          synchronized(TestSynchronized.class)          {inti =5;while( i-- >0)              {                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" : "+ i);try{                          Thread.sleep(500);                    }catch(InterruptedException ie)                    {                    }                }          }      }publicstaticsynchronizedvoidtest2()    {inti =5;while( i-- >0)          {                System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" : "+ i);try{                    Thread.sleep(500);                }catch(InterruptedException ie)              {                }          }      }publicstaticvoidmain(String[] args)    {          final TestSynchronized myt2 =newTestSynchronized();          Thread test1 =newThread(newRunnable() {publicvoidrun() {  myt2.test1();  }  },"test1");          Thread test2 =newThread(newRunnable() {publicvoidrun() { TestSynchronized.test2();  }  },"test2");          test1.start();          test2.start();//        TestRunnable tr=new TestRunnable();

//        Thread test3=new Thread(tr);

//        test3.start();} } test1 :4test1 :3test1 :2test1 :1test1 :0test2 :4test2 :3test2 :2test2 :1test2 :0

其实，类锁修饰方法和代码块的效果和对象锁是一样的，因为类锁只是一个抽象出来的概念，只是为了区别静态方法的特点，因为静态方法是所有对象实例共用的，所以对应着synchronized修饰的静态方法的锁也是唯一的，所以抽象出来个类锁。其实这里的重点在下面这块代码，synchronized同时修饰静态和非静态方法

publicclassTestSynchronized {publicsynchronizedvoidtest1()    {inti =5;while( i-- >0)              {                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" : "+ i);try{                          Thread.sleep(500);                    }catch(InterruptedException ie)                    {                    }                }      }publicstaticsynchronizedvoidtest2()    {inti =5;while( i-- >0)          {                System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" : "+ i);try{                    Thread.sleep(500);                }catch(InterruptedException ie)              {                }          }      }publicstaticvoidmain(String[] args)    {          final TestSynchronized myt2 =newTestSynchronized();          Thread test1 =newThread(newRunnable() {publicvoidrun() {  myt2.test1();  }  },"test1");          Thread test2 =newThread(newRunnable() {publicvoidrun() { TestSynchronized.test2();  }  },"test2");          test1.start();          test2.start();//        TestRunnable tr=new TestRunnable();

//        Thread test3=new Thread(tr);

//        test3.start();} } test1 :4test2 :4test1 :3test2 :3test2 :2test1 :2test2 :1test1 :1test1 :0test2 :0