synchronized的作用、特性
在java线程模型中，对同一对象或类使用synchronized，会使得多个线程并发访问代码块或方法只有一个能进入同步区域，及synchronized有多线程互斥的作用。
synchronized的另一作用是使得同步区域的共享变量具有可见性。可以保证的是如果一个线程在同一对象锁的同步块修改了某个变量，在同步快结束后会将变量写入到主内存中。而另一个线程获取此对象锁，要使用共享变量时，会重新从主内存中读取值。
synchronized内置锁从持有锁到释放锁是一个虚拟机内部实现的过程，因此无需像显示锁(Lock)需要手动释放锁。该过程无法被中断、也没有超时中断的功能，伸缩性不如显示锁。
synchronized的使用场景和使用方法
使用场景：需要保证读写线程安全的地方
使用方法：
1、在静态或普通方法上加synchronized关键字
2、在同步代码外嵌套synchronized(Object/Class)
需要注意的是类锁和对象锁互不干扰，只有当监视的是同一个class（Class对象）的锁或同一个对象实例的锁才发生互斥。
synchronized原理分析
同步代码块使用了 monitorenter 和 monitorexit 字节码指令,。
同步方法中依靠方法修饰符上的 ACC_SYNCHRONIZED 实现。虚拟机可以从方法区方法常量池的方法表结构中的ACC_SYNCHRONIZED标记得知方法是否是同步方法。
两种方式的实现都是通过给指定对象头加锁状态的方式实现同步。
下面是《深入理解Java虚拟机》对内置锁优化的介绍
自旋锁与自适应自旋
前面我们讨论互斥同步的时候，提到了互斥同步对性能最大的影响是阻塞的实现，挂起线程和恢复线程的操作都需要转入内核态中完成，这些操作给系统的并发性能带来了很大的压力。同时，虚拟机的开发团队也注意到在许多应用上，共享数据的锁定状态只会持续很短的一段时间，为了这段时间去挂起和恢复线程并不值得。如果物理机器有一个以上的处理器，能让两个或以上的线程同时并行执行，我们就可以让后面请求锁的那个线程“稍等一下”，但不放弃处理器的执行时间，看看持有锁的线程是否很快就会释放锁。为了让线程等待，我们只需让线程执行一个忙循环（自旋），这项技术就是所谓的自旋锁。
自旋锁在JDK 1.4.2中就已经引入，只不过默认是关闭的，可以使用-XX：+UseSpinnin参数来开启，在JDK 1.6中就已经改为默认开启了。自旋等待不能代替阻塞，且先不说对处理器数量的要求，自旋等待本身虽然避免了线程切换的开销，但它是要占用处理器时间的，因此，如果锁被占用的时间很短，自旋等待的效果就会非常好，反之，如果锁被占用的时间很长，那么自旋的线程只会白白消耗处理器资源，而不会做任何有用的工作，反而会带来性能上的浪费。因此，自旋等待的时间必须要有一定的限度，如果自旋超过了限定的次数仍然没有成功获得锁，就应当使用传统的方式去挂起线程了。自旋次数的默认值是10次，用户可以使用参数-XX：PreBlockSpin来更改。
在JDK 1.6中引入了自适应的自旋锁。自适应意味着自旋的时间不再固定了，而是由前
一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定。如果在同一个锁对象上，自旋等
待刚刚成功获得过锁，并且持有锁的线程正在运行中，那么虚拟机就会认为这次自旋也很有
可能再次成功，进而它将允许自旋等待持续相对更长的时间，比如100个循环。另外，如果
对于某个锁，自旋很少成功获得过，那在以后要获取这个锁时将可能省略掉自旋过程，以避
免浪费处理器资源。有了自适应自旋，随着程序运行和性能监控信息的不断完善，虚拟机对
程序锁的状况预测就会越来越准确，虚拟机就会变得越来越“聪明”了。
轻量级锁
轻量级锁是JDK 1.6之中加入的新型锁机制，它名字中的“轻量级”是相对于使用操作系统互斥量来实现的传统锁而言的，因此传统的锁机制就称为“重量级”锁。首先需要强调一点的是，轻量级锁并不是用来代替重量级锁的，它的本意是在没有多线程竞争的前提下，减少传统的重量级锁使用操作系统互斥量产生的性能消耗。
要理解轻量级锁，以及后面会讲到的偏向锁的原理和运作过程，必须从HotSpot虚拟机的对象（对象头部分）的内存布局开始介绍。HotSpot虚拟机的对象头（Object Header）分为两部分信息，第一部分用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、GC分代年龄（Generational GC Age）等，这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机中分别为32bit和64bit，官方称它为“Mark Word”，它是实现轻量级锁和偏向锁的关键。另外一部分用于存储指向方法区对象类型数据的指针，如果是数组对象的话，还会有一个额外的部分用于存储数组长度。
对象头信息是与对象自身定义的数据无关的额外存储成本，考虑到虚拟机的空间效率，Mark Word被设计成一个非固定的数据结构以便在极小的空间内存储尽量多的信息，它会根据对象的状态复用自己的存储空间。例如，在32位的HotSpot虚拟机中对象未被锁定的状态下，Mark Word的32bit空间中的25bit用于存储对象哈希码（HashCode），4bit用于存储对象分代年龄，2bit用于存储锁标志位，1bit固定为0，在其他状态（轻量级锁定、重量级锁定、GC标记、可偏向）下对象的存储内容见表13-1。
简单地介绍了对象的内存布局后，我们把话题返回到轻量级锁的执行过程上。在代码进入同步块的时候，如果此同步对象没有被锁定（锁标志位为“01”状态），虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的MarkWord的拷贝（官方把这份拷贝加了一个Displaced前缀，即Displaced Mark Word），这时候线程堆栈与对象头的状态如图13-3所示。
然后，虚拟机将使用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针。如果这个更新动作成功了，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象Mark Word的锁标志位（Mark Word的最后2bit）将转变为“00”，即表示此对象处于轻量级锁定状态，这时候线程堆栈与对象头的状态如图13-4所示。
如果这个更新操作失败了，虚拟机首先会检查对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果只说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那就可以直接进入同步块继续执行，否则说明这个锁对象已经被其他线程抢占了。如果有两条以上的线程争用同一个锁，那轻量级锁就不再有效，要膨胀为重量级锁，锁标志的状态值变为“10”，Mark Word中存储的就是指向重量级锁（互斥量）的指针，后面等待锁的线程也要进入阻塞状态。
上面描述的是轻量级锁的加锁过程，它的解锁过程也是通过CAS操作来进行的，如果对象的Mark Word仍然指向着线程的锁记录，那就用CAS操作把对象当前的Mark Word和线程中复制的Displaced Mark Word替换回来，如果替换成功，整个同步过程就完成了。如果替换失败，说明有其他线程尝试过获取该锁，那就要在释放锁的同时，唤醒被挂起的线程。
轻量级锁能提升程序同步性能的依据是“对于绝大部分的锁，在整个同步周期内都是不存在竞争的”，这是一个经验数据。如果没有竞争，轻量级锁使用CAS操作避免了使用互斥量的开销，但如果存在锁竞争，除了互斥量的开销外，还额外发生了CAS操作，因此在有竞争的情况下，轻量级锁会比传统的重量级锁更慢。
偏向锁
偏向锁也是JDK 1.6中引入的一项锁优化，它的目的是消除数据在无竞争情况下的同步原语，进一步提高程序的运行性能。如果说轻量级锁是在无竞争的情况下使用CAS操作去消除同步使用的互斥量，那偏向锁就是在无竞争的情况下把整个同步都消除掉，连CAS操作都不做了。
偏向锁的“偏”，就是偏心的“偏”、偏袒的“偏”，它的意思是这个锁会偏向于第一个获得它的线程，如果在接下来的执行过程中，该锁没有被其他的线程获取，则持有偏向锁的线程将永远不需要再进行同步。
如果读者读懂了前面轻量级锁中关于对象头Mark Word与线程之间的操作过程，那偏向锁的原理理解起来就会很简单。假设当前虚拟机启用了偏向锁（启用参数-XX：+UseBiasedLocking，这是JDK 1.6的默认值），那么，当锁对象第一次被线程获取的时候，虚拟机将会把对象头中的标志位设“01”，即偏向模式。同时使用CAS操作把获取到这个锁的线程的ID记录在对象的Mark Word之中，如果CAS操作成功，持有偏向锁的线程以后每次进入这个锁相关的同步块时，虚拟机都可以不再进行任何同步操作（例如Locking、Unlocking及对Mark Word的Update等）。
当有另外一个线程去尝试获取这个锁时，偏向模式就宣告结束。根据锁对象目前是否处于被锁定的状态，撤销偏向（Revoke Bias）后恢复到未锁定（标志位为“01”）或轻量级锁定（标志位为“00”）的状态，后续的同步操作就如上面介绍的轻量级锁那样执行。偏向锁、轻量级锁的状态转化及对象Mark Word的关系如图13-5所示。
偏向锁可以提高带有同步但无竞争的程序性能。它同样是一个带有效益权衡（Trade Off）性质的优化，也就是说，它并不一定总是对程序运行有利，如果程序中大多数的锁总是被多个不同的线程访问，那偏向模式就是多余的。在具体问题具体分析的前提下，有时候使用参数-XX：-UseBiasedLocking来禁止偏向锁优化反而可以提升性能。
锁粗化
原则上，我们在编写代码的时候，总是推荐将同步块的作用范围限制得尽量小——只在共享数据的实际作用域中才进行同步，这样是为了使得需要同步的操作数量尽可能变小，如果存在锁竞争，那等待锁的线程也能尽快拿到锁。
大部分情况下，上面的原则都是正确的，但是如果一系列的连续操作都对同一个对象反复加锁和解锁，甚至加锁操作是出现在循环体中的，那即使没有线程竞争，频繁地进行互斥同步操作也会导致不必要的性能损耗。
代码清单13-7中连续的append（）方法就属于这类情况。如果虚拟机探测到有这样一串零碎的操作都对同一个对象加锁，将会把加锁同步的范围扩展（粗化）到整个操作序列的外部，以代码清单13-7为例，就是扩展到第一个append（）操作之前直至最后一个append（）操作之后，这样只需要加锁一次就可以了。
锁消除
锁消除是指虚拟机即时编译器在运行时，对一些代码上要求同步，但是被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行消除。锁消除的主要判定依据来源于逃逸分析的数据支持，如果判断在一段代码中，堆上的所有数据都不会逃逸出去从而被其他线程访问到，那就可以把它们当做栈上数据对待，认为它们是线程私有的，同步加锁自然就无须进行。
也许读者会有疑问，变量是否逃逸，对于虚拟机来说需要使用数据流分析来确定，但是程序员自己应该是很清楚的，怎么会在明知道不存在数据争用的情况下要求同步呢？答案是有许多同步措施并不是程序员自己加入的，同步的代码在Java程序中的普遍程度也许超过了大部分读者的想象。我们来看看代码清单13-6中的例子，这段非常简单的代码仅仅是输出3个字符串相加的结果，无论是源码字面上还是程序语义上都没有同步。
代码清单13-6 一段看起来没有同步的代码
public String concatString（String s1，String s2，String s3）{
return s1+s2+s3；
}
我们也知道，由于String是一个不可变的类，对字符串的连接操作总是通过生成新的String对象来进行的，因此Javac编译器会对String连接做自动优化。在JDK 1.5之前，会转化为StringBuffer对象的连续append（）操作，在JDK 1.5及以后的版本中，会转化为StringBuilder对象的连续append（）操作，即代码清单13-6中的代码可能会变成代码清单13-7的样子[1]。
代码清单13-7 Javac转化后的字符串连接操作
public String concatString（String s1，String s2，String s3）{
StringBuffer sb=new StringBuffer（）；
sb.append（s1）；
sb.append（s2）；
sb.append（s3）；
return sb.toString（）；
小结一下
synchronized无论是加在同步块还是方法上最后都通过虚拟机的monitorenter和monitorexit指令实现。
根据虚拟机的配置，JDK1.6默认开启了自旋锁、偏向锁，轻量锁是新引入的机制优化重量锁。
假设自旋锁、偏向锁都是开启的（JDK1.7已结关闭自旋锁的参数配置，自动调整自旋上限），监视对象是一个java堆中的实例对象A，当前线程B尝试进入同步区，首先线程B尝试获取偏量锁，一旦获取成功，线程B再次进入偏向锁将不会有CAS操作，在非竞争环境能够提升性能。所以偏向锁只在第一次执行了CAS操作。一旦有其他线程尝试获取锁，偏向锁模式被销毁，锁状态恢复为无锁（对象未锁定）或轻量级锁（对象被偏向锁锁定中）。
当对象为轻量级锁模式，多线程获取锁只要执行CAS操作，除非两个线程同时进入临界区，其中一个获取了轻量级锁，另一个线程会将对象头的锁状态置为重量级锁。轻量级锁通过CAS操作降低对锁竞争不激烈的情况下的性能的损耗，但是如果竞争激烈，轻量级锁会膨胀为重量级锁。
轻量级锁膨胀为重量级锁的过程：当线程A持有了对象M的轻量级锁，此时线程B会尝试获取轻量级锁，但是锁被线程A占有，因此对象M的Mark Word将锁标记置为重量锁，同时锁指针指向系统层面的互斥量。然后线程B会通过自旋尝试获取重量锁，如果自旋失败，最后才会挂起完全由操作系统层面的互斥量控制。可见虚拟机对monitor算法的优化是十分繁琐又很卖力的，因此JDK1.6后synchronized内置锁与Lock锁的性能差异才不大。
