synchronized 关键字

在 Java 中，synchronized 关键字用于实现多线程环境下的同步控制，确保只有一个线程可以访问共享资源或代码块，从而避免数据的不一致性和竞争条件。

Java 多线程的锁都是基于对象的，Java 中的每一个对象都可以作为一个锁。

有以下三种形式：

1. 关键字在实例方法上，锁为当前实例
2. 关键字在静态方法上，锁为当前 Class 对象
3. 关键字在代码块上，锁为括号里面的对象hex

四种锁状态

一个对象其实有四种锁状态，它们级别由低到高依次是：

1. 无锁状态：
2. 偏向锁状态
3. 轻量级锁状态
4. 重量级锁状态

几种锁会随着竞争情况逐渐升级，锁的升级很容易发生，但是锁降级发生的条件会比较苛刻，锁降级发生在 Stop The World 期间，当 JVM 进入安全点的时候，会检查是否有闲置的锁，然后进行降级。

无锁（No Lock）

当代码块不涉及多线程竞争时，JVM 不会为其分配锁。没有对资源进行锁定，任何线程都可以尝试去修改它。

偏向锁（Biased Lock）

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，于是引入了偏向锁。

JVM 会将锁的状态标记为“偏向锁”并记录拥有锁的线程 ID。如果在偏向期间没有其他线程尝试获取该锁，那么持有偏向锁的线程就不需要进行任何同步操作。

锁撤销：如果在偏向锁期间，另一个线程尝试获取该锁，那么偏向锁会被撤销，并升级为轻量级锁（自旋锁）。

偏向锁升级成轻量级锁时，会暂停拥有偏向锁的线程，重置偏向锁标识，这个过程看起来容易，实则开销还是很大的，大概的过程如下：

1. 在一个安全点（在这个时间点上没有字节码正在执行）停止拥有锁的线程。
2. 遍历线程栈，如果存在锁记录的话，需要修复锁记录和 Mark Word，使其变成无锁状态。
3. 唤醒被停止的线程，将当前锁升级成轻量级锁。

轻量级锁（Lightweight Lock）

轻量级锁是一种适用于短时间内只涉及少量线程竞争的场景（或者多个线程在不同时段获取同一把锁）。此时 JVM 会使用自旋锁（spin lock）机制来避免线程阻塞和上下文切换的开销。

自旋锁的工作原理是：线程在尝试获取锁时，不会立即阻塞自己，而是自旋等待（即反复检查锁是否可用），以期锁可以很快被释放。在短时间内，锁的持有时间很短时，自旋锁的性能优于重量级锁，因为避免了线程的挂起和唤醒操作。

锁膨胀：如果线程在自旋一段时间后仍未获得锁，轻量级锁将升级为重量级锁。

重量级锁（Heavyweight Lock）

重量级锁使用操作系统的同步机制来实现。当锁升级为重量级锁时，JVM 会阻塞那些尝试获取锁但未能成功的线程。被阻塞的线程在获得锁之前必须进入等待状态，直到其他线程释放锁。

重量级锁会导致线程上下文切换和系统调用，这些操作通常比轻量级锁开销大。

锁的升级流程

1. 无锁到偏向锁：对象初始化时，默认处于无锁状态。如果一个线程尝试获取锁，且该锁目前处于无锁状态，则升级为偏向锁。
2. 偏向锁到轻量级锁：如果偏向锁被另一个线程竞争，偏向锁将被撤销，锁状态升级为轻量级锁。
3. 轻量级锁到重量级锁：当自旋锁的线程数量超过一定阈值（或自旋时间过长），锁会从轻量级锁升级为重量级锁，线程被阻塞等待锁释放。

锁的对比

锁	优点	缺点	适用场景
偏向锁	加锁和解锁不需要额外的消耗，和执行非同步方法比仅存在纳秒级的差距。	如果线程间存在锁竞争，会带来额外的锁撤销的消耗。	适用于只有一个线程访问同步块场景。
轻量级锁	竞争的线程不会阻塞，提高了程序的响应速度。	如果始终得不到锁的竞争的线程使用自旋会消耗 CPU。	追求响应时间。同步块执行速度非常快。
重量级锁	线程竞争不使用自旋，不会消耗 CPU。	线程阻塞，响应时间缓慢。	追求吞吐量。同步块执行时间较长。