synchronized 原理和優化
synchronized 是java 中解決併發問題最常用的方法，也是最簡單的一種方法。Synchronized 的主要作用是
- 確保線程互斥訪問同步代碼
- 保證共享變量的修改能及時可見
- 有效解決重排問題
Synchronized 原理
反編譯下面代碼看看Synchronized 是如何實現代碼同步的
public class Demo{
public void method(){
sychronized(this){
System.out.println("start");
}
}
}
反編譯（javap -verbose Demo.class）結果
stack=2, locals=3, args_size=1
0: aload_0
1: dup
2: astore_1
3: monitorenter
4: getstatic #2 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
7: ldc #3 // String start
9: invokevirtual #4 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
12: aload_1
13: monitorexit
14: goto 22
17: astore_2
18: aload_1
19: monitorexit
20: aload_2
21: athrow
22: return
關於 monitorenter 和 monitorexit倆條指令的作用，參考JVM 規範
Java 虛擬機中的同步（synchronization） 基於進入和退出monitor對象實現，無論是顯示同步（有明確的monitorenter和 monitorexit指令,即同步代碼塊）還是隱式同步都是如此。在java 語言中，同步用的最多的地方可能是synchronzied 修飾的同步方法。同步方法並不是由monitorenter 和 monitorexit 指令來實現同步的，而是由方法調用指令讀取運行時常量池中方法表結構的 ACC_SYNCHRONIZED 標誌來隱式實現的。
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。任何一個兌現都有一個monitor與之關聯，當且一個monitor被持有之後，他將處於被鎖定狀態。線程執行到monitorenter 指令時，將會獲取對象所對應的monitor 所有權，即嘗試獲取對象的鎖。
在jvm 中對象在內存中分爲三塊區域：對象頭、實例變量和填充數據
實例變量：存放類的屬性數據信息，包括父類的屬性信息，如果是數組的實例部分還包括數組的長度，這部分內存按4字節對齊。
填充數據：由於虛擬機要求對象起始地址必須是8字節的整數倍。填充數據不是必須存在的，僅僅是爲了字節對齊，這點了解即可。
對象頭：Hotspot虛擬機的對象頭主要包括兩部分數據：Mark Word（標記字段）、Klass Pointer（類型指針）。其中Klass Point是是對象指向它的類元數據的指針，虛擬機通過這個指針來確定這個對象是哪個類的實例，Mark Word用於存儲對象自身的運行時數據，它是實現輕量級鎖和偏向鎖的關鍵。
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、鎖狀態標誌、線程持有的鎖、偏向線程 ID、偏向時間戳等等。Java對象頭一般佔有兩個機器碼（在32位虛擬機中，1個機器碼等於4字節，也就是32bit），但是如果對象是數組類型，則需要三個機器碼，因爲JVM虛擬機可以通過Java對象的元數據信息確定Java對象的大小，但是無法從數組的元數據來確認數組的大小，所以用一塊來記錄數組長度。
Monitor: 我們可以把它理解爲一個同步工具，也可是一種同步機制，通常被描述爲一個對象。與一切對象一樣，所有的Java 對象自帶Monitor,每一個Java 對象都有成爲Monitor 的潛質，因爲在Java的設計中，每一個Java 對象都有一把內部（Monitor）鎖。Monitor 是線程私有的數據結構，每一個線程都有一個可用Monitor record 列表，同時還有一個全局可用列表。每一個被鎖住的對象會和monitor 關聯，同時Monitor中有一個Owner 字段存放該鎖的線程的唯一標識，表示該所被線程佔用。結構如下：
Owner：初始時爲NULL表示當前沒有任何線程擁有該monitor record，當線程成功擁有該鎖後保存線程唯一標識，當鎖被釋放時又設置爲NULL
EntryQ: 關聯一個系統互斥鎖（semaphore）,阻塞所有試圖monitor record 失敗線程
RcThis: 表示blocked 或waiting 在該monitor record 上所有線程的個數
Nest: 用來實現重入鎖的計數
HashCode: 保存從對象頭拷貝過來的HashCode值
Candidate: 爲每一次只有一個線程能夠成功擁有鎖，如果每次前一個釋放鎖的線程喚醒所有正在阻塞或等待的線程，會引起不必要的上下文切換（從阻塞到就緒然後因爲競爭鎖失敗又被阻塞）從而導致性能嚴重下降。Candidate只有兩種可能的值0表示沒有需要喚醒的線程1表示要喚醒一個繼任線程來競爭鎖。
Java 虛擬即對synchronized 的優化
鎖的狀態總共四種，無鎖狀態、偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖。隨着鎖的競爭可以衝偏向鎖升級到輕量級鎖，再次升級爲重量級鎖。鎖升級是單向的，也就是說只能從低到高升級，不會出現鎖降級。
偏向鎖
偏向鎖是jdk 6 之後引入的新鎖，是對加鎖操作的一種優化。大多數情況下，所不僅不存在多線程的競爭，而且總是有同一線程多次獲得，因此爲了減少同一線程獲取鎖（會涉及到CAS操作，耗時）的代價而引入偏向鎖。偏向鎖的核心思想是，如果一個線程獲得鎖，那麼鎖進入偏向模式，此時Mark Word 的結構也變爲偏向鎖結構，當這個線程再次請求鎖時，無需再做任何同步操作，即獲取鎖的過程，這樣就省去了大量有關鎖申請的操作，從而也就提供程序的性能。所以，對於沒有鎖競爭的場合，偏向鎖有很好的優化效果，畢竟極有可能連續多次是同一個線程申請相同的鎖。但是對於鎖競爭比較激烈的場合，偏向鎖就失效了，因爲這樣場合極有可能每次申請鎖的線程都是不相同的，因此這種場合下不應該使用偏向鎖，否則會得不償失，需要注意的是，偏向鎖失敗後，並不會立即膨脹爲重量級鎖，而是先升級爲輕量級鎖。
輕量級鎖
若偏向鎖失敗，虛擬機不會立馬升級爲重量級鎖，它還會嘗試使用一種輕量級鎖的優化手段。此時Mark Word 的結構也變爲輕量級鎖的結構。輕量級鎖能夠提升程序性能的依據是“對絕大部分的鎖，在整個同步週期內都不存在競爭”，注意這是經驗數據。需要了解的是，輕量級鎖所適應的場景是線程交替執行同步塊的場合，如果存在同一時間訪問同一鎖的場合，就會導致輕量級鎖膨脹爲重量級鎖。
自旋鎖
輕量級鎖失敗後，虛擬機爲了避免線程真實地在操作系統層面掛起，還會進行一項稱爲自旋鎖的優化手段。這是基於在大多數情況下，線程持有鎖的時間都不會太長，如果直接掛起操作系統層面的線程可能會得不償失，畢竟操作系統實現線程之間的切換時需要從用戶態轉換到核心態，這個狀態之間的轉換需要相對比較長的時間，時間成本相對較高，因此自旋鎖會假設在不久將來，當前的線程可以獲得鎖，因此虛擬機會讓當前想要獲取鎖的線程做幾個空循環(這也是稱爲自旋的原因)，一般不會太久，可能是50個循環或100循環，在經過若干次循環後，如果得到鎖，就順利進入臨界區。如果還不能獲得鎖，那就會將線程在操作系統層面掛起，這就是自旋鎖的優化方式，這種方式確實也是可以提升效率的。最後沒辦法也就只能升級爲重量級鎖了。
鎖消除
消除鎖是虛擬機另外一種鎖的優化，這種優化更徹底，Java虛擬機在JIT編譯時(可以簡單理解爲當某段代碼即將第一次被執行時進行編譯，又稱即時編譯)，通過對運行上下文的掃描，去除不可能存在共享資源競爭的鎖，通過這種方式消除沒有必要的鎖，可以節省毫無意義的請求鎖時間，JVM會自動將其鎖消除。
synchronize的可重入性：
從互斥鎖的設計上來說，當一個線程試圖操作一個由其他線程持有的對象鎖的臨界資源時，將會處於阻塞狀態，但當一個線程再次請求自己持有對象鎖的臨界資源時，這種情況屬於重入鎖，請求將會成功，在java中synchronized是基於原子性的內部鎖機制，是可重入的，因此在一個線程調用synchronized方法的同時在其方法體內部調用該對象另一個synchronized方法，也就是說一個線程得到一個對象鎖後再次請求該對象鎖，是允許的，這就是synchronized的可重入性。