synchronized關鍵字

監視器

java中同步是通過監視器模型來實現的，JAVA中的監視器實際是一個代碼塊，這段代碼塊同一時刻只允許被一個線程執行。線程要想執行這段代碼塊的唯一方式是獲得監視器。

監視器有兩種同步方式：互斥與協作。多線程環境下線程之間如果需要共享數據，需要解決互斥訪問數據的問題，監視器可以確保監視器上的數據在同一時刻只會有一個線程在訪問。什麼時候需要協作？比如：一個線程向緩衝區寫數據，另一個線程從緩衝區讀數據，如果讀線程發現緩衝區爲空就會等待，當寫線程向緩衝區寫入數據，就會喚醒讀線程，這裏讀線程和寫線程就是一個合作關係。JVM通過Object類的wait方法來使自己等待，在調用wait方法後，該線程會釋放它持有的監視器，直到其他線程通知它纔有執行的機會。一個線程調用notify方法通知在等待的線程，這個等待的線程並不會馬上執行，而是要通知線程釋放監視器後，它重新獲取監視器纔有執行的機會。如果剛好喚醒的這個線程需要的監視器被其他線程搶佔，那麼這個線程會繼續等待。object類中的notifyAll方法可以解決這個問題，它可以喚醒所有等待的線程，總有一個線程執行。

如上圖所示，一個線程通過1號門進入Entry Set(入口區),如果在入口區沒有線程等待，那麼這個線程就會獲取監視器成爲監視器的owner，然後執行監視區域的代碼。如果在入口區中有其它線程在等待，那麼新來的線程也會和這些線程一起等待。線程在持有監視器的過程中，有兩個選擇，一個是正常執行監視器區域的代碼，釋放監視器，通過5號門退出監視器；還有可能等待某個條件的出現，於是它會通過3號門到Wait Set(等待區)休息，直到相應的條件滿足後再通過4號門進入重新獲取監視器再執行。

注意：當一個線程釋放監視器時，在入口區和等待區的等待線程都會去競爭監視器，如果入口區的線程贏了，會從2號門進入；如果等待區的線程贏了會從4號門進入。只有通過3號門才能進入等待區，在等待區中的線程只有通過4號門才能退出等待區，也就是說一個線程只有在持有監視器時才能執行wait操作，處於等待的線程只有再次獲得監視器才能退出等待狀態。

對象鎖

JVM中的一些數據，比如堆和方法區會被所有線程共享。JAVA中每個對象和類實際上都一把鎖與之相關聯，對於對象來說，監視的是這個對象的實例變量，對於類來說，監視的是類變量，如果一個對象沒有實例變量，就什麼也不監視。當虛擬機裝載類時，會創建一個Class類的實例，鎖住一個類實際上鎖住的是這個類對應的Class類的實例。對象鎖是可重入的，也就是說對一個對象或者類上的鎖可以累加。

在JAVA中有兩種監視區域：同步方法和同步塊，這兩種監視區域都和一個引入對象相關聯，當到達這個監視區域時，JVM就會鎖住這個引用對象，不論它是怎麼離開的，都會釋放這個引用對象上的鎖。JAVA程序員不能自己加對象鎖，對象鎖是JVM內部機制，只需要編寫同步方法或者同步塊即可，操作監視區域時JVM會自動幫你上鎖或者釋放鎖。

同步語句

要建立一個同步語句，只需要在相關語句加上synchronized關鍵字就可以，例如下面的incr方法，如果沒有獲得當前對象(this)的鎖，在同步塊內的語句是不會執行的，如果不是this引用，而是用另一個對象的引用，需要獲得對應對象的鎖同步塊纔會執行，如果用表達式獲得對Class對象實例的引用，就需要鎖住那個類。

void incr() {
    synchronized (this) {
        i++;
    }
}

以下是incr方法生成的字節碼序列：

void incr();
   Code:
      0: aload_0            //將this引用壓棧
      1: dup                //複製棧頂元素
      2: astore_1           //出棧並將this引用存放在局部變量1中
      3: monitorenter           //出棧並獲取對象鎖
      4: aload_0            //將this引用壓棧
      5: dup                //複製棧頂元素
      6: getfield      #17             //獲取i的值
      9: iconst_1           //常數1入棧
     10: iadd               //將i+1的結果入棧
     11: putfield      #17             //將i的值存入this中
     14: aload_1            //將this引用壓棧
     15: monitorexit            //彈出this引用釋放對象鎖
     16: goto          22       //返回
     19: aload_1            //19-22如果拋出，釋放對象鎖
     20: monitorexit
     21: athrow
     22: return
   Exception table:
      from    to  target type
          4    16    19   any
         19    21    19   any

字節碼的第3行從棧頂中獲取對象鎖，對象鎖獲取成功後才後執行後面的add操作，第15行釋放獲取的對象鎖。注意：字節碼中出現了異常表，是用於確保加鎖的對象被釋放，即使從同步語句塊中拋出異常，也會釋放對象鎖，不然有可能導致死鎖。

同步方法

要建立同步方法，只需要在方法修飾符前加上synchronized關鍵字，類似代碼如下：

synchronized void incr() {
    i++;
}

生成的字節碼序列如下：

synchronized void incr();
    Code:
       0: aload_0           //this引用壓棧
       1: dup               //複製棧頂元素
       2: getfield      #2              //獲取i的值
       5: iconst_1          //將常量1入棧
       6: iadd              //i+1入棧
       7: putfield      #2              //將i的值存入this中
      10: return            //返回

可見，JVM並沒有使用moniterenter和moniterexit等指令，查看class文件在方法表中可以看到有0020出現，這是incr方法的訪問標誌（access flag）：ACC_SYNCHRONIZED,顧名思義在說incr是一個線程同步方法。當JVM發現這是一個同步方法時，就會在這個對象或者類上獲取鎖，退出方法時會釋放這個鎖。兩段字段碼除了調用指令不同，還有一個區別是同步方法可以沒有異常表，實際上JVM隱式地做了異常處理。

優缺點：

synchronized是通過軟件（JVM）實現的，簡單易用，即使在JDK5之後有了Lock，仍然被廣泛地使用。

synchronized實際上是非公平的，新來的線程有可能立即獲得監視器，而在等待區中等候已久的線程可能再次等待，不過這種搶佔的方式可以預防飢餓。

synchronized只有鎖只與一個條件（是否獲取鎖）相關聯，不靈活，後來Condition與Lock的結合解決了這個問題。

多線程競爭一個鎖時，其餘未得到鎖的線程只能不停的嘗試獲得鎖，而不能中斷。高併發的情況下會導致性能下降。ReentrantLock的lockInterruptibly()方法可以優先考慮響應中斷。 一個線程等待時間過長，它可以中斷自己，然後ReentrantLock響應這個中斷，不再讓這個線程繼續等待。有了這個機制，使用ReentrantLock時就不會像synchronized那樣產生死鎖了。