1、synchronized的基本使用

Synchronized的作用主要有三個(gè)：（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(shí)可見（3）有效解決重排序問題。
從語(yǔ)法上講，Synchronized總共有三種用法：
（1）修飾普通方法
（2）修飾靜態(tài)方法(對(duì)class的對(duì)象鎖)
（3）修飾代碼塊

public class SynchronizedTest {
    
    public synchronized void method1(){
        System.out.println("Method 1 start");
        try {
            System.out.println("Method 1 execute");
            Thread.sleep(3000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("Method 1 end");
    }

    public static synchronized void method2(){
         System.out.println("Method 2 start");
         try {
             System.out.println("Method 2 execute");
             Thread.sleep(3000);
         } catch (InterruptedException e) {
             e.printStackTrace();
         }
         System.out.println("Method 1 end");
     }
     
     public void method3(){
        System.out.println("Method 3 start");
        try {
            synchronized (this) {
                System.out.println("Method 3 execute");
                Thread.sleep(1000);
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("Method 3 end");
    }

    public static void main(String[] args) {
        final SynchronizedTest test = new SynchronizedTest();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                test.method1();
            }
        }).start();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                SynchronizedTest.method2();
            }
        }).start();
        
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                test.method3();
            }
        }).start();
    }
}

2、深入synchronized

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Synchronized是通過對(duì)象內(nèi)部的一個(gè)叫做監(jiān)視器鎖（monitor）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。但是監(jiān)視器鎖本質(zhì)又是依賴于底層的操作系統(tǒng)的Mutex Lock來(lái)實(shí)現(xiàn)的。而操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)線程之間的切換這就需要從用戶態(tài)轉(zhuǎn)換到核心態(tài)，這個(gè)成本非常高，狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換需要相對(duì)比較長(zhǎng)的時(shí)間，這就是為什么Synchronized效率低的原因。因此，這種依賴于操作系統(tǒng)Mutex Lock所實(shí)現(xiàn)的鎖我們稱之為“重量級(jí)鎖”。JDK中對(duì)Synchronized做的種種優(yōu)化，其核心都是為了減少這種重量級(jí)鎖的使用。JDK1.6以后，為了減少獲得鎖和釋放鎖所帶來(lái)的性能消耗，提高性能，引入了“偏向鎖”和“輕量級(jí)鎖”。

java對(duì)象頭與對(duì)象鎖

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偏向鎖

偏向鎖，顧名思義，它會(huì)偏向于第一個(gè)訪問鎖的線程，如果在接下來(lái)的運(yùn)行過程中，該鎖沒有被其他的線程訪問，則持有偏向鎖的線程將永遠(yuǎn)不需要觸發(fā)同步。 如果在運(yùn)行過程中，遇到了其他線程搶占鎖，則持有偏向鎖的線程會(huì)被掛起，JVM會(huì)嘗試消除它身上的偏向鎖，將鎖恢復(fù)到標(biāo)準(zhǔn)的輕量級(jí)鎖。(偏向鎖只能在單線程下起作用)，其流程如圖所示：

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偏向鎖獲取過程：
　　（1）訪問Mark Word中偏向鎖的標(biāo)識(shí)是否設(shè)置成1，鎖標(biāo)志位是否為01——確認(rèn)為可偏向狀態(tài)。
　?。?）如果為可偏向狀態(tài)，則測(cè)試線程ID是否指向當(dāng)前線程，如果是，進(jìn)入步驟（5），否則進(jìn)入步驟（3）。
　?。?）如果線程ID并未指向當(dāng)前線程，則通過CAS操作競(jìng)爭(zhēng)鎖。如果競(jìng)爭(zhēng)成功，則將Mark Word中線程ID設(shè)置為當(dāng)前線程ID，然后執(zhí)行（5）；如果競(jìng)爭(zhēng)失敗，執(zhí)行（4）。
　?。?）如果CAS獲取偏向鎖失敗，則表示有競(jìng)爭(zhēng)。當(dāng)?shù)竭_(dá)全局安全點(diǎn)（safepoint）時(shí)獲得偏向鎖的線程被掛起，偏向鎖升級(jí)為輕量級(jí)鎖，然后被阻塞在安全點(diǎn)的線程繼續(xù)往下執(zhí)行同步代碼。
　?。?）執(zhí)行同步代碼。
偏向鎖的釋放：
　　偏向鎖的撤銷在上述第四步驟中有提到。偏向鎖只有遇到其他線程嘗試競(jìng)爭(zhēng)偏向鎖時(shí)，持有偏向鎖的線程才會(huì)釋放鎖，線程不會(huì)主動(dòng)去釋放偏向鎖（不主動(dòng)釋放）。偏向鎖的撤銷，需要等待全局安全點(diǎn)（在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)上沒有字節(jié)碼正在執(zhí)行），它會(huì)首先暫停擁有偏向鎖的線程，判斷鎖對(duì)象是否處于被鎖定狀態(tài)，撤銷偏向鎖后恢復(fù)到未鎖定（標(biāo)志位為“01”）或輕量級(jí)鎖（標(biāo)志位為“00”）的狀態(tài)。

輕量級(jí)鎖

輕量級(jí)鎖（Lightweight Locking）本意是在沒有多線程競(jìng)爭(zhēng)的前提下(即多線程交替執(zhí)行互斥代碼情況下)，減少傳統(tǒng)的重量級(jí)鎖使用操作系統(tǒng)互斥量產(chǎn)生的性能消耗，是為了減少多線程進(jìn)入互斥的幾率，并不是要替代互斥。 它利用了CPU原語(yǔ)Compare-And-Swap(CAS，匯編指令CMPXCHG)，嘗試在進(jìn)入互斥前，進(jìn)行補(bǔ)救。通過上表我們可以知道00標(biāo)記為輕量級(jí)鎖，其流程：

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輕量級(jí)鎖獲取過程
（1）在代碼進(jìn)入同步塊的時(shí)候，如果同步對(duì)象鎖狀態(tài)為無(wú)鎖狀態(tài)（鎖標(biāo)志位為“01”狀態(tài)，是否為偏向鎖為“0”），虛擬機(jī)首先將在當(dāng)前線程的棧幀中建立一個(gè)名為鎖記錄（Lock Record）的空間，用于存儲(chǔ)鎖對(duì)象目前的Mark Word的拷貝，官方稱之為 Displaced Mark Word。這時(shí)候線程堆棧與對(duì)象頭的狀態(tài)如圖2.1所示。
（2）拷貝對(duì)象頭中的Mark Word復(fù)制到鎖記錄中。
（3）拷貝成功后，虛擬機(jī)將使用CAS操作嘗試將對(duì)象的Mark Word更新為指向Lock Record的指針，并將Lock record里的owner指針指向object mark word。如果更新成功，則執(zhí)行步驟（4），否則執(zhí)行步驟（5）。
（4）如果這個(gè)更新動(dòng)作成功了，那么這個(gè)線程就擁有了該對(duì)象的鎖，并且對(duì)象Mark Word的鎖標(biāo)志位設(shè)置為“00”，即表示此對(duì)象處于輕量級(jí)鎖定狀態(tài)，這時(shí)候線程堆棧與對(duì)象頭的狀態(tài)如圖2.2所示。
（5）如果這個(gè)更新操作失敗了，虛擬機(jī)首先會(huì)檢查對(duì)象的Mark Word是否指向當(dāng)前線程的棧幀，如果是就說明當(dāng)前線程已經(jīng)擁有了這個(gè)對(duì)象的鎖，那就可以直接進(jìn)入同步塊繼續(xù)執(zhí)行。否則說明多個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)鎖，輕量級(jí)鎖就要膨脹為重量級(jí)鎖，鎖標(biāo)志的狀態(tài)值變?yōu)椤?0”，Mark Word中存儲(chǔ)的就是指向重量級(jí)鎖（互斥量）的指針，后面等待鎖的線程也要進(jìn)入阻塞狀態(tài)。 而當(dāng)前線程便嘗試使用自旋來(lái)獲取鎖，自旋就是為了不讓線程阻塞，而采用循環(huán)去獲取鎖的過程。

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輕量級(jí)鎖釋放過程
（1）通過CAS操作嘗試把線程中復(fù)制的Displaced Mark Word對(duì)象替換當(dāng)前的Mark Word。
（2）如果替換成功，整個(gè)同步過程就完成了。
（3）如果替換失敗，說明有其他線程嘗試過獲取該鎖（此時(shí)鎖已膨脹），那就要在釋放鎖的同時(shí)，喚醒被掛起的線程。

總結(jié)：

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其他優(yōu)化

(1)、適應(yīng)性自旋（Adaptive Spinning）：
從輕量級(jí)鎖獲取的流程中我們知道，當(dāng)線程在獲取輕量級(jí)鎖的過程中執(zhí)行CAS操作失敗時(shí)，是要通過自旋來(lái)獲取重量級(jí)鎖的。問題在于，自旋是需要消耗CPU的，如果一直獲取不到鎖的話，那該線程就一直處在自旋狀態(tài)，白白浪費(fèi)CPU資源。解決這個(gè)問題最簡(jiǎn)單的辦法就是指定自旋的次數(shù)，例如讓其循環(huán)10次，如果還沒獲取到鎖就進(jìn)入阻塞狀態(tài)。但是JDK采用了更聰明的方式——適應(yīng)性自旋，簡(jiǎn)單來(lái)說就是線程如果自旋成功了，則下次自旋的次數(shù)會(huì)更多，如果自旋失敗了，則自旋的次數(shù)就會(huì)減少。
(2)、鎖粗化
鎖粗化的概念應(yīng)該比較好理解，就是將多次連接在一起的加鎖、解鎖操作合并為一次，將多個(gè)連續(xù)的鎖擴(kuò)展成一個(gè)范圍更大的鎖。舉個(gè)例子：

 public class StringBufferTest {
     StringBuffer stringBuffer = new StringBuffer();
 
     public void append(){
         stringBuffer.append("a");
         stringBuffer.append("b");
         stringBuffer.append("c");
     }
 }

這里每次調(diào)用stringBuffer.append方法都需要加鎖和解鎖，如果虛擬機(jī)檢測(cè)到有一系列連串的對(duì)同一個(gè)對(duì)象加鎖和解鎖操作，就會(huì)將其合并成一次范圍更大的加鎖和解鎖操作，即在第一次append方法時(shí)進(jìn)行加鎖，最后一次append方法結(jié)束后進(jìn)行解鎖。
(3)、鎖消除
鎖消除即刪除不必要的加鎖操作。根據(jù)代碼逃逸技術(shù)，如果判斷到一段代碼中，堆上的數(shù)據(jù)不會(huì)逃逸出當(dāng)前線程，那么可以認(rèn)為這段代碼是線程安全的，不必要加鎖?？聪旅孢@段程序：

public class SynchronizedTest02 {

    public static void main(String[] args) {
        SynchronizedTest02 test02 = new SynchronizedTest02();
        //啟動(dòng)預(yù)熱
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            i++;
        }
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 100000000; i++) {
            test02.append("abc", "def");
        }
        System.out.println("Time=" + (System.currentTimeMillis() - start));
    }

    public void append(String str1, String str2) {
        StringBuffer sb = new StringBuffer();
        sb.append(str1).append(str2);
    }
}

雖然StringBuffer的append是一個(gè)同步方法，但是這段程序中的StringBuffer屬于一個(gè)局部變量，并且不會(huì)從該方法中逃逸出去，所以其實(shí)這過程是線程安全的，可以將鎖消除。下面是本地執(zhí)行的結(jié)果：

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注：可能JDK各個(gè)版本之間執(zhí)行的結(jié)果不盡相同，我這里采用的JDK版本為1.6

3、synchronized源碼解析

參考小狼的：http://www.itdecent.cn/p/c5058b6fe8e5

4、深入分析Object.wait/notify實(shí)現(xiàn)機(jī)制

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