深入分析Synchronized原理
0、前言
记得开始学习Java的时候，一遇到多线程情况就使用synchronized，相对于当时的我们来说synchronized是这么的神奇而又强大，那个时候我们赋予它一个名字“同步”，也成为了我们解决多线程情况的百试不爽的良药。但是，随着学习的进行我们知道在JDK1.5之前synchronized是一个重量级锁，相对于j.u.c.Lock，它会显得那么笨重，以至于我们认为它不是那么的高效而慢慢摒弃它。
不过，随着Javs SE 1.6对synchronized进行的各种优化后，synchronized并不会显得那么重了。下面来一起探索synchronized的基本使用、实现机制、Java是如何对它进行了优化、锁优化机制、锁的存储结构等升级过程。
1、 基本使用
Synchronized是Java中解决并发问题的一种最常用的方法，也是最简单的一种方法。Synchronized的作用主要有三个：
①原子性：确保线程互斥的访问同步代码；
②可见性：保证共享变量的修改能够及时可见，其实是通过Java内存模型中的 “对一个变量unlock操作之前，必须要同步到主内存中；如果对一个变量进行lock操作，则将会清空工作内存中此变量的值，
在执行引擎使用此变量前，需要重新从主内存中load操作或assign操作初始化变量值” 来保证的；
③有序性：有效解决重排序问题，即 “一个unlock操作先行发生(happen-before)于后面对同一个锁的lock操作”；
从语法上讲，Synchronized可以把任何一个非null对象作为"锁"，在HotSpot JVM实现中，锁有个专门的名字：对象监视器（Object Monitor）。
Synchronized总共有三种用法：
①当synchronized作用在实例方法时，监视器锁（monitor）便是对象实例（this）；
②当synchronized作用在静态方法时，监视器锁（monitor）便是对象的Class实例，因为Class数据存在于永久代，因此静态方法锁相当于该类的一个全局锁；
③当synchronized作用在某一个对象实例时，监视器锁（monitor）便是括号括起来的对象实例；
注意，synchronized 内置锁 是一种对象锁（锁的是对象而非引用变量），作用粒度是对象，可以用来实现对临界资源的同步互斥访问 ，是可重入的。其可重入最大的作用是避免死锁，如：
子类同步方法调用了父类同步方法，如没有可重入的特性，则会发生死锁；
2 同步原理
数据同步需要依赖锁，那锁的同步又依赖谁？synchronized给出的答案是在软件层面依赖JVM，而j.u.c.Lock给出的答案是在硬件层面依赖特殊的CPU指令。
当一个线程访问同步代码块时，首先是需要得到锁才能执行同步代码，当退出或者抛出异常时必须要释放锁，那么它是如何来实现这个机制的呢？我们先看一段简单的代码：
package com.paddx.test.concurrent;
public class SynchronizedDemo {
public void method() {
synchronized (this) {
System.out.println("Method 1 start");
}
}
}
查看反编译后结果：
①：monitorenter：每个对象都是一个监视器锁（monitor）。当monitor被占用时就会处于锁定状态，线程执行monitorenter指令时尝试获取monitor的所有权，过程如下：
①如果monitor的进入数为0，则该线程进入monitor，然后将进入数设置为1，该线程即为monitor的所有者；
②如果线程已经占有该monitor，只是重新进入，则进入monitor的进入数加1；
③如果其他线程已经占用了monitor，则该线程进入阻塞状态，直到monitor的进入数为0，再重新尝试获取monitor的所有权；
②：monitorexit：执行monitorexit的线程必须是objectref所对应的monitor的所有者。指令执行时，monitor的进入数减1，如果减1后进入数为0，那线程退出monitor，不再是这个monitor的所有者。其他被这个monitor阻塞的线程可以尝试去获取这个 monitor 的所有权。
monitorexit指令出现了两次，第1次为同步正常退出释放锁；第2次为发生异步退出释放锁；
通过上面两段描述，我们应该能很清楚的看出Synchronized的实现原理，Synchronized的语义底层是通过一个monitor的对象来完成，其实wait/notify等方法也依赖于monitor对象，这就是为什么只有在同步的块或者方法中才能调用wait/notify等方法，否则会抛出java.lang.IllegalMonitorStateException的异常的原因。
再来看一下同步方法：
public class SynchronizedMethod {
public synchronized void method() {
System.out.println("Hello World!");
}
}
从编译的结果来看，方法的同步并没有通过指令 monitorenter 和 monitorexit 来完成（理论上其实也可以通过这两条指令来实现），不过相对于普通方法，其常量池中多了 ACC_SYNCHRONIZED 标示符。JVM就是根据该标示符来实现方法的同步的：
当方法调用时，调用指令将会检查方法的 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志是否被设置，如果设置了，执行线程将先获取monitor，获取成功之后才能执行方法体，方法执行完后再释放monitor。在方法执行期间，其他任何线程都无法再获得同一个monitor对象。
两种同步方式本质上没有区别，只是方法的同步是一种隐式的方式来实现，无需通过字节码来完成。两个指令的执行是JVM通过调用操作系统的互斥原语mutex来实现，被阻塞的线程会被挂起、等待重新调度，会导致“用户态和内核态”两个态之间来回切换，对性能有较大影响。
