深入解释synchronized底层原理
synchronized 是 Java 中的一种内置锁机制，用于实现线程同步，确保在多线程环境下对共享资源的访问是安全的。为了深入理解 synchronized 的底层原理，我们可以从以下几个方面展开：
1. 对象监视器 (Monitor)
synchronized 的核心是依赖对象的监视器 (Monitor) 来实现同步。每个 Java 对象都有一个关联的监视器，它可以被看作是一个锁。当线程想要访问被 synchronized 修饰的代码块或方法时，它需要先获得对象的监视器锁。如果锁已经被其他线程持有，那么当前线程会进入阻塞状态，直到锁被释放。
监视器的实现主要依赖于 JVM 内部的 monitorenter 和 monitorexit 指令：
monitorenter：当一个线程进入 synchronized 方法或代码块时，会执行该指令。线程会尝试获得该对象的监视器锁。如果成功，线程可以执行代码；否则线程会阻塞等待锁。
monitorexit：当线程退出 synchronized 方法或代码块时，执行该指令，释放监视器锁。
2. Mark Word 和锁的状态
在 Java 对象的内存布局中，每个对象头中包含一个名为 Mark Word 的字段。这个字段记录了对象的锁状态、哈希码和其他信息。通过 Mark Word，JVM 可以跟踪对象当前的锁定状态，并实现不同的锁优化机制。
Mark Word 的变化和锁的状态密切相关。JVM 中有 4 种不同的锁状态：
无锁状态：此时对象没有被任何线程锁定，可以自由访问。
偏向锁 (Biased Locking)：偏向锁是一种优化机制，适用于没有锁竞争的情况。线程可以通过检查对象的 Mark Word 快速获取偏向锁，而无需频繁地使用同步原语。
轻量级锁 (Lightweight Locking)：当一个线程尝试获取锁时，会进入轻量级锁状态。这种锁状态使用自旋锁的机制，在没有竞争的情况下尽量避免线程阻塞。
重量级锁 (Heavyweight Locking)：如果锁的竞争非常激烈，JVM 会升级为重量级锁，这时线程会进入内核态等待，使用操作系统的同步机制来管理线程的调度。
3. 锁优化机制
为了提高 synchronized 的性能，JVM 引入了多种锁优化技术，避免频繁地进入重量级锁状态。主要的优化包括：
偏向锁 (Biased Locking)：线程偏向机制，允许某个线程获取锁后再次进入同步块时无需竞争直接进入。
轻量级锁 (Lightweight Locking)：线程尝试使用自旋而非直接阻塞，避免过早进入重量级锁。
自旋锁 (Spin Locking)：线程在等待锁时不会立即阻塞，而是会进行有限次数的忙等待（自旋），等待锁释放。这在短时间的锁竞争下性能较好。
4. 底层指令与内存屏障
synchronized 使用了 JVM 的指令来控制同步。常用的 monitorenter 和 monitorexit 也会插入内存屏障 (Memory Barrier)，保证指令的顺序性和可见性。这些屏障可以防止编译器和处理器对内存操作的重排序，确保在多线程环境下的可见性问题。
内存屏障 (Memory Barrier)：是一种指令，确保在某个操作之前或之后，所有读写操作都已经完成。synchronized 会在进入和退出同步块时插入相应的内存屏障，确保线程间内存的可见性。
5. 结论
Synchronized 的底层实现依赖对象监视器 (Monitor) 和对象头中的 Mark Word 来管理锁状态，并通过多种优化手段（偏向锁、轻量级锁、自旋锁等）提升性能。锁的状态在竞争激烈时可能升级为重量级锁，使用操作系统提供的线程同步机制。通过内存屏障，synchronized 还可以确保内存可见性问题不会导致线程间数据不一致。
synchronized锁是怎么升级的，什么过程
Synchronized 锁在 Java 中可以经历多个锁的升级过程，以提高在不同竞争条件下的性能。锁的升级主要分为从 无锁 到 偏向锁，再到 轻量级锁，最后可能升级为 重量级锁。具体的锁升级过程如下：
1. 无锁状态
当一个对象被创建时，默认情况下处于 无锁状态，即没有线程竞争访问该对象的临界区。此时，对象头中的 Mark Word 主要存储对象的哈希值、GC 状态等信息。
Mark Word 的状态：对象没有锁定，未发生任何线程竞争。
升级条件：如果有一个线程进入了 synchronized 块，且没有其他线程竞争锁，系统将尝试进入 偏向锁 状态。
2. 偏向锁 (Biased Locking)
偏向锁 是为优化无竞争的同步而设计的，它允许某个线程偏向性地持有锁，并且不需要每次重新获取锁。当一个线程第一次进入 synchronized 块时，它会在对象的 Mark Word 中记录自己的线程ID，并且不需要执行昂贵的 CAS（Compare-And-Swap）操作。
Mark Word 的状态：记录持有锁的线程ID。
锁获取方式：偏向锁不会涉及复杂的锁竞争逻辑，线程只要检查对象的 Mark Word 中是否记录了自己的线程ID即可。如果是自己的线程ID，直接进入临界区。
升级条件：如果另一个线程尝试获取偏向锁对象时，偏向锁会被撤销，锁会升级为 轻量级锁。
3. 轻量级锁 (Lightweight Locking)
当偏向锁撤销后，锁会升级为 轻量级锁。在这种状态下，JVM 会为每个线程创建一个锁记录 (Lock Record)，并尝试通过 CAS 操作 将对象头的 Mark Word 替换为指向线程栈中锁记录的指针。如果 CAS 操作成功，线程就获取了轻量级锁。
Mark Word 的状态：指向线程的锁记录（Lock Record）。
锁获取方式：如果线程可以通过 CAS 成功修改对象头的 Mark Word，则它可以持有锁进入临界区。
升级条件：如果有其他线程也尝试获取该锁，并且 CAS 失败，表示存在锁竞争，此时会升级为 重量级锁。
4. 重量级锁 (Heavyweight Locking)
当锁竞争变得激烈，轻量级锁无法满足时，JVM 会将锁升级为 重量级锁。重量级锁通过操作系统的 mutex（互斥锁） 来实现，此时线程会进入阻塞状态，等待锁的释放。
Mark Word 的状态：此时的 Mark Word 中指向一个重锁对象，重锁对象由操作系统实现。
锁获取方式：如果线程发现锁已经被重量级锁持有，它会进入操作系统的挂起状态，直到锁被释放。
性能代价：重量级锁涉及线程的阻塞和唤醒，操作系统的上下文切换成本较高，因此性能开销较大。
5. 锁的升级过程总结
无锁 → 偏向锁：当一个线程第一次进入 synchronized 代码块时，锁状态从无锁升级为偏向锁，记录持有线程的 ID。
偏向锁 → 轻量级锁：当有其他线程尝试获取偏向锁时，锁会升级为轻量级锁，通过 CAS 操作获取锁。
轻量级锁 → 重量级锁：当多个线程争抢轻量级锁且 CAS 操作失败时，锁会升级为重量级锁，此时线程会阻塞，使用操作系统的互斥锁机制。
6. 锁膨胀与锁回退
锁膨胀：锁升级的过程称为“锁膨胀”，从偏向锁升级到轻量级锁，再到重量级锁。这个过程是不可逆的，即锁一旦升级为重量级锁，就不会降级回轻量级锁或偏向锁。
锁回退：虽然锁升级是不可逆的，但偏向锁在某些情况下会被 撤销。例如，当 JVM 发现存在竞争时，偏向锁会被撤销，并且对象进入轻量级锁或重量级锁。
7. JVM 优化
JVM 的锁优化机制通过锁升级来平衡锁竞争与性能开销。例如，偏向锁非常适合没有竞争的场景，而轻量级锁适合短时间的锁竞争，自旋操作避免了过早进入重量级锁。
轻量级锁和偏向锁，自旋锁什么区别和场景
轻量级锁、偏向锁、自旋锁在 Java 中都是为了优化锁的性能，减少线程同步开销，避免线程频繁阻塞和唤醒。它们有各自的实现机制和适用场景，下面对三者的区别和适用场景进行深入解释。
1. 偏向锁 (Biased Locking)
概念：
偏向锁是最轻量级的锁优化，适用于没有竞争的场景。其设计目标是消除在没有线程竞争的情况下获取锁的开销。
工作机制：
偏向：当一个线程第一次获取锁时，会将该线程的ID记录在对象头的 Mark Word 中，表明该对象“偏向”于该线程。
锁获取：后续该线程再次进入 synchronized 块时，不需要执行复杂的同步操作，直接通过检查 Mark Word 中的线程ID 是否与当前线程匹配来决定是否可以继续执行，从而极大减少锁的获取开销。
撤销偏向锁：当有其他线程尝试获取偏向锁时，锁会被撤销，进入轻量级锁的状态，偏向锁会被升级。
适用场景：
无竞争场景：偏向锁适用于锁竞争极少甚至没有竞争的场景，主要针对单线程或多个线程顺序进入 synchronized 块的情况。
性能优势：在无竞争的场景下，偏向锁的开销几乎可以忽略，因为不需要CAS（Compare-And-Swap）操作。
场景示例：
在一个应用中，大部分情况下只有一个线程频繁访问临界区，没有其他线程竞争时，使用偏向锁会显著提高性能。例如，在单线程或很少发生线程切换的场景中，偏向锁的效率非常高。
2. 轻量级锁 (Lightweight Locking)
概念：
轻量级锁是为了解决偏向锁在发生线程竞争时的不足，避免线程直接进入阻塞状态。它通过 CAS 操作（无锁操作）来尝试获取锁，适用于短时间的锁竞争。
工作机制：
CAS 操作：当一个线程获取轻量级锁时，JVM 会将对象头中的 Mark Word 拷贝到当前线程栈的锁记录中，并尝试通过 CAS 操作将对象头的 Mark Word 替换为指向该线程栈中锁记录的指针。
锁竞争处理：如果另一个线程也尝试获取该锁并发现 CAS 失败，则表明存在竞争，锁可能会进一步升级为重量级锁。
自旋：在锁竞争不激烈的情况下，轻量级锁会让线程通过 自旋 等待其他线程释放锁，而不是直接进入阻塞。
适用场景：
轻度竞争场景：轻量级锁适用于有短暂竞争的场景，通常在多个线程偶尔同时进入 synchronized 块，但锁的持有时间较短的情况下效果较好。
性能优势：轻量级锁通过避免线程的上下文切换和阻塞，提升了短时间竞争情况下的性能。
场景示例：
多个线程偶尔访问共享资源的场景，锁的竞争比较轻微，且线程持有锁的时间短，例如简单的计数器或读写操作，轻量级锁能够通过自旋等待，减少进入重量级锁的开销。
3. 自旋锁 (Spin Locking)
概念：
自旋锁是一种线程获取锁时，通过循环（自旋）等待而不进入阻塞状态的锁机制。自旋锁的目的是避免线程在锁竞争不激烈的情况下频繁的阻塞和唤醒。
工作机制：
自旋等待：当一个线程发现锁被持有时，它不会立即阻塞，而是会进行有限次数的自旋，即循环尝试获取锁。
锁获取：如果在自旋期间锁被释放，线程可以立即获得锁，避免了进入阻塞状态。否则，自旋结束后线程将进入阻塞状态，等待锁释放。
时间限制：自旋次数通常有限，如果在自旋次数内无法获取锁，线程将被挂起进入操作系统的阻塞状态。
适用场景：
短暂锁持有场景：自旋锁适用于锁的持有时间非常短的场景，因为自旋的等待成本相对于线程上下文切换较低。如果锁持有时间长，自旋锁的性能反而会下降，因为自旋本身会占用 CPU 资源。
性能优势：在锁竞争不激烈且锁持有时间短的情况下，自旋锁避免了线程的阻塞和唤醒开销。
场景示例：
多个线程频繁争用锁的情况下，且锁的持有时间非常短，例如处理队列或处理事件分发的场景，自旋锁可以有效提升性能，因为在这种情况下线程自旋等待锁释放比直接进入阻塞状态的性能开销更小。