摘要：而導致這個問題的原因是線程并行執行操作并不是原子的，存在線程安全問題。如果已經有線程持有了鎖，那這個線程會獨占鎖，直到鎖釋放完畢之前，其他線程都會被阻塞。當鎖處于重量級鎖狀態，其他線程嘗試獲取鎖時，都會被阻塞，也就是狀態。

1. 什么時候需要用Synchronized
Synchronized主要作用是在多個線程操作共享數據的時候，保證對共享數據訪問的線程安全性。比如兩個線程對于i這個共享變量同時做i++遞增操作，那么這個時候對于i這個值來說就存在一個不確定性，也就是說理論上i的值應該是2，但是也可能是1。而導致這個問題的原因是線程并行執行i++操作并不是原子的，存在線程安全問題。所以通常來說解決辦法是通過加鎖來實現線程的串行執行，而synchronized就是java中鎖的實現的關鍵字。
synchronized在并發編程中是一個非常重要的角色，在JDK1.6之前，它是一個重量級鎖的角色，但是在JDK1.6之后對synchronized做了優化，優化以后性能有了較大的提升
2．Synchronized的使用
synchronized有三種使用方法，這三種使用方法分別對應三種不同的作用域，代碼如下：
①修飾普通同步方法
將synchronized修飾在普通同步方法，那么該鎖的作用域是在當前實例對象范圍內,也就是說對于 SyncDemosd=newSyncDemo();這一個實例對象sd來說，多個線程訪問access方法會有鎖的限制。如果access已經有線程持有了鎖，那這個線程會獨占鎖，直到鎖釋放完畢之前，其他線程都會被阻塞。
public SyncDemo{

Object lock =new Object();

//形式1

public synchronized void access(){

//

}

//形式2,作用域等同于形式1

public void access1(){

synchronized(lock){

//

}

}

②修飾靜態同步方法
修飾靜態同步方法或者靜態對象、類，那么這個鎖的作用范圍是類級別。舉個簡單的例子，{SyncDemo sd=SyncDemo();SyncDemo sd2=new SyncDemo();} 兩個不同的實例sd和sd2， 如果sd這個實例訪問access方法并且成功持有了鎖，那么sd2這個對象如果同樣來訪問access方法，那么它必須要等待sd這個對象的鎖釋放以后，sd2這個對象的線程才能訪問該方法，這就是類鎖；也就是說類鎖就相當于全局鎖的概念，作用范圍是類級別。

public SyncDemo{

static Object lock=new Object();

//形式1

public synchronized static void access(){

//

}

//形式2等同于形式1

public void access1(){

synchronized(lock){

//

}

}

//形式3等同于前面兩種

public void access2(){

synchronzied(SyncDemo.class){

//

}

}

}

③.同步方法塊
同步方法塊，是范圍最小的鎖，鎖的是synchronized括號里面配置的對象。這種鎖在實際工作中使用得比較頻繁，畢竟鎖的作用范圍越大，那么對性能的影響就越嚴重。

public SyncDemo{

Object lock=new Object();

public void access(){

//do something

synchronized(lock){

//

}

}

}

3.Synchronized的實現原理分析

   synchronized實現的鎖是存儲在Java對象頭里，什么是對象頭呢？在Hotspot虛擬機中，對象在內存中的存儲布局，可以分為三個區域:對象頭(Header)、實例數據(Instance Data)、對齊填充(Padding)
   當我們在Java代碼中，使用new創建一個對象實例的時候，（hotspot虛擬機）JVM層面實際上會創建一個 instanceOopDesc對象。instanceOopDesc的定義在Hotspot源碼中的 instanceOop.hpp文件中，另外，arrayOopDesc的定義對應 arrayOop.hpp
   

從instanceOopDesc代碼中可以看到 instanceOopDesc繼承自oopDesc，oopDesc的定義載Hotspot源碼中的 oop.hpp文件中。

在普通實例對象中，oopDesc的定義包含兩個成員，分別是 _mark和 _metadata，其中_mark表示對象標記、屬于markOop類型，也就是Mark World，它記錄了對象和鎖有關的信。_metadata表示類元信息，類元信息存儲的是對象指向它的類元數據(Klass)的首地址，其中Klass表示普通指針、 _compressed_klass表示壓縮類指針。

Mark Word
前面說的普通對象的對象頭由兩部分組成，分別是markOop以及類元信息，markOop官方稱為Mark Word 。在Hotspot中，markOop的定義在 markOop.hpp文件中，代碼如下

Mark word記錄了對象和鎖有關的信息，當某個對象被synchronized關鍵字當成同步鎖時，那么圍繞這個鎖的一系列操作都和Mark word有關系。Mark Word在32位虛擬機的長度是32bit、在64位虛擬機的長度是64bit。 Mark Word里面存儲的數據會隨著鎖標志位的變化而變化。
鎖標志位的表示意義
1.鎖標識 lock=00 表示輕量級鎖
2.鎖標識 lock=10 表示重量級鎖
3.偏向鎖標識 biased_lock=1表示偏向鎖
4.偏向鎖標識 biased_lock=0且鎖標識=01表示無鎖狀態
4.鎖的升級
前面提到了鎖的幾個概念，偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖。在JDK1.6之前，synchronized是一個重量級鎖，性能比較差。從JDK1.6開始，為了減少獲得鎖和釋放鎖帶來的性能消耗，synchronized進行了優化，引入了 偏向鎖和 輕量級鎖的概念。所以從JDK1.6開始，鎖一共會有四種狀態，鎖的狀態根據競爭激烈程度從低到高分別是:無鎖狀態->偏向鎖狀態->輕量級鎖狀態->重量級鎖狀態。這幾個狀態會隨著鎖競爭的情況逐步升級。為了提高獲得鎖和釋放鎖的效率，鎖可以升級但是不能降級。
偏向鎖
在大多數的情況下，鎖不僅不存在多線程的競爭，而且總是由同一個線程獲得。因此為了讓線程獲得鎖的代價更低引入了偏向鎖的概念。偏向鎖的意思是如果一個線程獲得了一個偏向鎖，如果在接下來的一段時間中沒有其他線程來競爭鎖，那么持有偏向鎖的線程再次進入或者退出同一個同步代碼塊，不需要再次進行搶占鎖和釋放鎖的操作。偏向鎖可以通過 -XX:+UseBiasedLocking開啟或者關閉。
偏向鎖的獲取
偏向鎖的獲取過程非常簡單，當一個線程訪問同步塊獲取鎖時，會在對象頭和棧幀中的鎖記錄里存儲偏向鎖的線程ID，表示哪個線程獲得了偏向鎖，結合前面分析的Mark Word來分析一下偏向鎖的獲取邏輯
1首先獲取目標對象的Mark Word，根據鎖的標識為和epoch去判斷當前是否處于可偏向的狀態
2如果為可偏向狀態，則通過CAS操作將自己的線程ID寫入到MarkWord，如果CAS操作成功，則表示當前線程成功獲取到偏向鎖，繼續執行同步代碼塊
3如果是已偏向狀態，先檢測MarkWord中存儲的threadID和當前訪問的線程的threadID是否相等，如果相等，表示當前線程已經獲得了偏向鎖，則不需要再獲得鎖直接執行同步代碼；如果不相等，則證明當前鎖偏向于其他線程，需要撤銷偏向鎖。
偏向鎖的撤銷
當其他線程嘗試競爭偏向鎖時，持有偏向鎖的線程才會釋放偏向鎖，撤銷偏向鎖的過程需要等待一個全局安全點(所有工作線程都停止字節碼的執行)。
1首先，暫停擁有偏向鎖的線程，然后檢查偏向鎖的線程是否為存活狀態
2如果線程已經死了，直接把對象頭設置為無鎖狀態
3如果還活著，當達到全局安全點時獲得偏向鎖的線程會被掛起，接著偏向鎖升級為輕量級鎖，然后喚醒被阻塞在全局安全點的線程繼續往下執行同步代碼
輕量級鎖
前面我們知道，當存在超過一個線程在競爭同一個同步代碼塊時，會發生偏向鎖的撤銷。偏向鎖撤銷以后對象會可能會處于兩種狀態
1.一種是不可偏向的無鎖狀態，簡單來說就是已經獲得偏向鎖的線程已經退出了同步代碼塊，那么這個時候會撤銷偏向鎖，并升級為輕量級鎖
2.一種是不可偏向的已鎖狀態，簡單來說就是已經獲得偏向鎖的線程正在執行同步代碼塊，那么這個時候會升級到輕量級鎖并且被原持有鎖的線程獲得鎖
輕量級鎖加鎖
1.JVM會先在當前線程的棧幀中創建用于存儲鎖記錄的空間(LockRecord)
2.將對象頭中的Mark Word復制到鎖記錄中，稱為Displaced Mark Word.
3.線程嘗試使用CAS將對象頭中的Mark Word替換為指向鎖記錄的指針
4.如果替換成功，表示當前線程獲得輕量級鎖，如果失敗，表示存在其他線程競爭鎖，那么當前線程會嘗試使用CAS來獲取鎖，當自旋超過指定次數(可以自定義)時仍然無法獲得鎖，此時鎖會膨脹升級為重量級鎖
輕量鎖解鎖
1.嘗試CAS操作將所記錄中的Mark Word替換回到對象頭中
2.如果成功，表示沒有競爭發生
3.如果失敗，表示當前鎖存在競爭，鎖會膨脹成重量級鎖
一旦鎖升級成重量級鎖，就不會再恢復到輕量級鎖狀態。當鎖處于重量級鎖狀態，其他線程嘗試獲取鎖時，都會被阻塞，也就是 BLOCKED狀態。當持有鎖的線程釋放鎖之后會喚醒這些現場，被喚醒之后的線程會進行新一輪的競爭
重量級鎖
重量級鎖依賴對象內部的monitor鎖來實現，而monitor又依賴操作系統的MutexLock（互斥鎖），假設Mutex變量的值為1，表示互斥鎖空閑，這個時候某個線程調用lock可以獲得鎖，而Mutex的值為0表示互斥鎖已經被其他線程獲得，其他線程調用lock只能掛起等待。
為什么重量級鎖的開銷比較大呢？原因是當系統檢查到是重量級鎖之后，會把等待想要獲取鎖的線程阻塞，被阻塞的線程不會消耗CPU，但是阻塞或者喚醒一個線程，都需要通過操作系統來實現，也就是相當于從用戶態轉化到內核態，而轉化狀態是需要消耗時間的。