参考了其他一些博文的片段

Synchronized

synchronized 是基于 Java 对象头和 Monitor 机制来实现的。

一个对象在内存中包含三部分：对象头，实例数据和对齐填充。其中 Java 对象头包含两部分：

 

Monitor的操作机制如下：

 

 

 

• Class Metadata Address （类型指针）。存储类的元数据的指针。虚拟机通过这个指针找到它是哪个类的实例。
• Mark Word（标记字段）。存出一些对象自身运行时的数据。包括哈希码，GC 分代年龄，锁状态标志等。
•  

• Java对象头

  

  在运行期间，Mark Word里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化，以32位的JDK为例：

  

   

  每一个对象都会有一个monitor，monitor是由C++实现的一个ObjectMonitor类，可以理解为一个实现线程同步的对象；

• Mark Word 有一个字段指向 monitor 对象。monitor 中记录了锁的持有线程，等待的线程队列等信息。前面说的每个对象都有一个锁和一个等待队列，就是在这里实现的。 monitor 对象由 C++ 实现。其中有三个关键字段：

• _owner 记录当前持有锁的线程
• _EntryList 是一个队列，记录所有阻塞等待锁的线程
• 多个线程竞争锁时，会先进入 EntryList 队列。竞争成功的线程被标记为 Owner。其他线程继续在此队列中阻塞等待。
• 如果 Owner 线程调用 wait() 方法，则其释放对象锁并进入 WaitSet 中等待被唤醒。Owner 被置空，EntryList 中的线程再次竞争锁。
• 如果 Owner 线程执行完了，便会释放锁，Owner 被置空，EntryList 中的线程再次竞争锁。
• _WaitSet 也是一个队列，记录调用 wait() 方法并还未被通知的线程。

jdk 1.6对做了很多优化：

• 锁消除：在代码上加了锁，但是虚拟机判断出这一块代码不可能被多线程竞争，就会把这个锁消除掉；虚拟机判断的依据是逃逸分析
• 锁粗化：如果虚拟机检测到一串操作都对一个对象加锁，释放锁，将会把加锁的范围粗化到整个操作的外部；
• 自适应自旋：自旋时间由前一次在同一个锁的自旋时间和锁的拥有者状态来决定，如果虚拟机判断获得这个锁的可能性很大，就会增加自旋时间，如果觉得很难获得锁，可能会省去自旋这一步节约CPU；

• 偏向锁：这个锁会偏向于第一个持有它的线程，如果在运行过程中，同步锁只有一个线程访问，不存在多线程争用的情况，则线程是不需要触发同步的，减少加锁／解锁的一些CAS操作（比如等待队列的一些CAS操作），这种情况下，就会给线程加一个偏向锁。

  轻量级锁：由偏向锁转化来，相对于传统的重量级锁，不会阻塞线程，而是通过自旋进行等待；以CPU为代价，避免线程的上下文切换，追求响应速度；

• AQS

  锁机制一般是有两种基本形式，1是阻塞，2是自旋（CAS自旋）

• 常见的锁的实现算法有TAS，TTAS ，CLH，MCS，java里的AQS是CLH的一个变种，CLH适用于SMP数据结构，MCS是适用于NUMA结构，CLH和MCS不同在于，CLH是轮询前驱节点的状态判断前驱节点是否释放锁，MCS是轮询自身节点状态来判断是否可以获得锁，前驱节点释放锁的时候更新后一节点的状态。

•  

• Java中的大部分同步类（Lock、Semaphore、ReentrantLock等）都是基于AbstractQueuedSynchronizer（简称为AQS）实现的。AQS是一种提供了原子式管理同步状态、阻塞和唤醒线程功能以及队列模型的简单框架。

• AQS 全称 AbstractQueuedSynchronizer。AQS 中有两个重要的成员：

• 成员变量 state。用于表示锁现在的状态，用 volatile 修饰，保证内存一致性。同时所用对 state 的操作都是使用 CAS 进行的。state 为0表示没有任何线程持有这个锁，线程持有该锁后将 state 加1，释放时减1。多次持有释放则多次加减。
• AQS维护着两个队列：一个是由AQS类维护的CLH队列（用于运行CLH算法），用于锁机制的实现，另一个是由AQS的内部类ConditionObject维护的Condition队列（用于支持线程间的同步，提供await,signal,signalAll方法）。

AQS核心思想是，如果被请求的共享资源空闲，那么就将当前请求资源的线程设置为有效的工作线程，将共享资源设置为锁定状态；如果共享资源被占用，就需要一定的阻塞等待唤醒机制来保证锁分配。这个机制主要用的是CLH队列的变体实现的，将暂时获取不到锁的线程加入到队列中。CLH算法是轮询前驱节点的状态，这样会耗费处理器资源，AQS没有一直轮询，而是用了阻塞等待唤醒机制来节省处理器资源。

CLH：Craig、Landin and Hagersten队列，是单向链表，AQS中的队列是CLH变体的虚拟双向队列（FIFO），AQS是通过将每条请求共享资源的线程封装成一个节点来实现锁的分配。

主要原理图如下：

AQS使用一个Volatile的int类型的成员变量来表示同步状态，通过内置的FIFO队列来完成资源获取的排队工作，通过CAS完成对State值的修改。

AQS 在线程竞争锁失败后，会讲线程信息包装成一个节点，加入同步队列。多个线程加入同时竞争锁失败时，都要加入同步队列，如何保证加入同步队列操作是原子和互斥的呢，AQS使用了CAS方式来设置同步队列首尾节点的引用。

    /**
     * Creates and enqueues node for current thread and given mode.
     *
     * @param mode Node.EXCLUSIVE for exclusive, Node.SHARED for shared
     * @return the new node
     */

//将节点加入到同步队列的尾部

    private Node addWaiter(Node mode) {
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
        // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure

//快速尝试在尾部添加

        Node pred = tail;
        if (pred != null) {
            node.prev = pred;
            if (compareAndSetTail(pred, node)) {

//如果CAS尝试成功，就说明"设置当前节点node的前驱"与"CAS设置tail"之间没有别的线程设置tail成功

//只需要将"之前的tail"的后继节点指向node即可

                pred.next = node;
                return node;
            }
        }
        enq(node);//否则，通过死循环来保证节点的正确添加

        return node;
    }

   /**
     * Inserts node into queue, initializing if necessary. See picture above.
     * @param node the node to insert
     * @return node's predecessor
     */
    private Node enq(final Node node) {
        for (;;) {
            Node t = tail;
            if (t == null) { // Must initialize
                if (compareAndSetHead(new Node()))
                    tail = head;
            } else {
                node.prev = t;
                if (compareAndSetTail(t, node)) {
                    t.next = node;
                    return t;
                }
            }
        }
    }

   /**
     * CAS head field. Used only by enq.
     */
    private final boolean compareAndSetHead(Node update) {
        return unsafe.compareAndSwapObject(this, headOffset, null, update);
    }

    /**
     * CAS tail field. Used only by enq.
     */
    private final boolean compareAndSetTail(Node expect, Node update) {
        return unsafe.compareAndSwapObject(this, tailOffset, expect, update);
    }

多个线程使用CAS来加入到同步队列中时，CAS失败时会不断重试，这样会耗费处理器资源。

出队列时，首节点的线程在释放同步状态后，将会唤醒后继节点的线程，并且后继节点的线程在获取到同步状态后将会将自己设置为首节点。因为设置首节点是通过获取同步状态成功的线程来完成的，因此设置头结点的方法并不需要使用CAS来保证，因为只有一个线程能获取到同步状态。

 

AQS 也提供等待通知机制，可以用来代替传统的Object的wait()、notify()实现线程间的协作。他的作用是使得某些线程一起等待某个条件（Condition），只有当该条件具备(signal 或者 signalAll方法被调用)时，这些等待线程才会被唤醒，从而重新争夺锁。