synchronized
概述
synchronized 是 Java 语言中的关键字，是一种内置锁，用于实现线程的同步。它的主要目的是确保多个线程在同一时刻，只能有一个线程可以进入被 synchronized 修饰的代码段或方法
一、用法
synchronized 主要有三种使用方式。
1. 同步实例方法
锁是当前实例对象。
public class Counter {private int count = 0;// 同步实例方法，锁是 this，即当前Counter对象实例public synchronized void increment() {count++;}public synchronized int getCount() {return count;}
}
当一个线程调用 counter1.increment() 时，它会获取 counter1 这个对象实例的锁。其他线程要调用 counter1 的任何一个同步实例方法（如 getCount()）都会被阻塞。但是，如果另一个线程操作的是 不同的实例（如 counter2），则不会受影响，因为它们获取的是不同对象的锁。
2. 同步静态方法
锁是当前类的 Class 对象。
public class StaticCounter {private static int count = 0;// 同步静态方法，锁是 StaticCounter.classpublic static synchronized void increment() {count++;}
}
因为静态方法属于类而不属于任何实例，所以锁是类的 Class 对象。这意味着，即使有多个 StaticCounter 的实例，所有线程在执行任何一个同步静态方法时，都需要竞争同一把锁。
3. 同步代码块
可以更细粒度地控制锁的范围和锁的对象，提升并发效率。
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指定对象作为锁：
public class FineGrainedCounter {private int count = 0;private final Object lock = new Object(); // 专门用于锁的对象public void increment() {// 同步代码块，锁是 lock 对象synchronized (lock) {count++;}// 其他不需要同步的代码可以放在这里，减少锁的持有时间} }使用一个专门的私有锁对象是一个好习惯，可以防止外部代码意外获取到你的锁，导致死锁或其他并发问题。
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使用
this：public void method() {// 同步代码块，锁是当前实例对象，等同于同步实例方法的一部分synchronized (this) {// ...} } -
使用
.class：public void staticMethod() {// 同步代码块，锁是类的Class对象，等同于同步静态方法的一部分synchronized (FineGrainedCounter.class) {// ...} }
二、原理
synchronized 的实现原理涉及到 Java 对象头 和 Monitor（监视器）。
1. Java 对象头
在 JVM 中，每个对象在内存中分为三部分：
- 对象头
- 实例数据
- 对齐填充
其中，对象头 是 synchronized 实现锁的关键。它主要包含两部分：
- Mark Word：存储对象自身的运行时数据，如哈希码、GC 分代年龄、锁状态标志、持有锁的线程 ID 等。
- Klass Pointer：对象指向它的类元数据的指针。
2. Monitor（监视器锁）
每一个 Java 对象都与一个 Monitor 相关联。可以把 Monitor 理解为一个特殊的、线程私有的数据结构。当线程执行到 synchronized 保护的代码时，其执行流程如下：
- 进入同步代码块：线程尝试通过对象的对象头获取与之关联的 Monitor。
- 获取锁：
- 如果 Monitor 的计数器为 0（表示未被任何线程持有），当前线程会成功获取该 Monitor，并将计数器设置为 1。此时，该线程是 Monitor 的持有者。
- 如果当前线程已经持有该 Monitor，它可以重入，计数器会再次加 1（这就是
synchronized是可重入锁的原因）。 - 如果 Monitor 被其他线程持有，当前线程会被阻塞，进入 同步队列，状态变为
BLOCKED。
- 执行代码：获取锁成功后，线程执行同步代码块内的代码。
- 退出同步代码块：当线程执行完同步代码块，或者抛出异常时，它会释放 Monitor，将计数器减 1。
- 如果计数器减为 0，表示线程完全释放了锁。
- 然后，它会唤醒在同步队列中等待的线程，让它们重新竞争锁。
这个“竞争”过程是由 JVM 和操作系统底层协作完成的，是非公平的。
3. 锁的升级过程
JVM 通过读取并解析锁对象的 Mark Word 中的锁标志位和偏向锁标志位，来精确判断锁的当前状态，从而决定是直接获取锁、升级锁、还是进入自旋/阻塞。
为了在性能和开销之间取得平衡，Java 6 之后，synchronized 的锁状态是可以升级的，而不是一成不变的重量级锁。这个过程是单向的。
锁的级别从低到高依次为：
无锁 -> 偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁
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偏向锁：
- 场景：假设在大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得。
- 原理：当一个线程访问同步块时，会在对象头和栈帧中的锁记录里存储偏向的线程 ID。以后该线程再进入和退出同步块时，不需要进行 CAS 操作来加锁和解锁，只需简单测试一下对象头的 Mark Word 里是否存储着指向当前线程的偏向锁。
- 目的：消除在无竞争情况下的同步开销。
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轻量级锁：
- 场景：当偏向锁被另一个线程访问时（发生竞争），偏向锁会升级为轻量级锁。
- 原理：线程在执行同步块之前，JVM 会先在当前线程的栈帧中创建用于存储锁记录的空间，并将对象头中的 Mark Word 复制到锁记录中。然后线程尝试使用 CAS 操作将对象头中的 Mark Word 替换为指向锁记录的指针。如果成功，当前线程获得锁；如果失败，表示其他线程竞争锁，当前线程会通过自旋来尝试获取锁。
- 目的：在响应速度和高吞吐量之间取得平衡。
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重量级锁：
- 场景：如果轻量级锁自旋失败（比如自旋次数超过阈值，或者有多个线程在竞争），锁就会膨胀为重量级锁。
- 原理：此时，Mark Word 中存储的是指向重量级锁（Monitor）的指针。等待锁的线程都会进入阻塞状态。（有了操作系统参与，当线程无法获取重量级锁时：线程调用 pthread_mutex_lock() 等系统调用，陷入内核态（通过软中断/系统调用门），内核检查锁状态：如果锁可用：立即获取，返回用户态，如果锁被占用：将线程放入等待队列，标记为阻塞状态
调度器选择其他就绪线程运行） - 特点：开销最大，但能避免 CPU 空转。