互斥同步（Mutual Exclusion & Synchronization）是一种最常见也是最主要的并发正确性保障手段。
synchronized
在Java里面，最基本的互斥同步手段就是synchronized关键字，这是一种块结构（Block Structured）的同步语法。
每个Java对象都可以用做一个实现同步的锁，这些锁被称为内置锁（Intrinsic Lock)或监视器锁（Monitor Lock)。线程在进入同步代码块之前会自动获得锁，并且在退出同步代码块时自动释放锁，而无论是通过正常的控制路径退出，还是通过从代码块中抛出异常退出。获得内置锁的唯一途径就是进入由这个锁保护的同步代码块或方法。
synchronized用法
Java的内置锁相当于一种互斥体（或互斥锁），这意味着最多只有一个线程能持有这种锁。当线程A尝试获取一个由线程B持有的锁时，线程A必须等待或者阻塞，直到线程B释放这个锁。如果B永远不释放锁，那么A也将永远地等下去。 由于每次只能有一个线程执行内置锁保护的代码块，因此，由这个锁保护的同步代码块会以原子方式执行，多个线程在执行该代码块时也不会相互干扰。任何一个执行同步代码块的线程，都不可能看到有其他线程正在执行由同一个锁保护的同步代码块。
synchronized实现同步的基础：Java中的每一个对象都可以作为锁。具体表现为以下3种形式。
- 对于普通同步方法，锁是当前实例对象。
- 对于静态同步方法，锁是当前类的Class对象。
- 对于同步方法块，锁是Synchonized括号里配置的对象
synchronized修饰方法
javap -verbose 生成字节码文件如下
//同步方法
public synchronized void onlyMe() {
//TODO
}
方法级的同步是隐式的，无须通过字节码指令来控制，它实现在方法调用和返回操作之中。虚拟机可以从方法常量池中的方法表结构中的ACC_SYNCHRONIZED访问标志得知一个方法是否被声明为同步方法。当方法调用时，调用指令将会检查方法的ACC_SYNCHRONIZED访问标志是否被设置，如果设置了，执行线程就要求先成功持有监视器锁，然后才能执行方法，最后当方法完成（无论是正常完成 还是非正常完成）时释放监视器锁。在方法执行期间，执行线程持有了监视器锁，其他任何线程都无法再获取到同一个监视器锁。如果一个同步方法执行期间抛出了异常，并且在方法内部无法处理此异常，那这个同步方法所持有的监视器锁将在异常抛到同步方法边界之外时自动释放。
synchronized代码块
将这行代码生成字节码指令如下
//同步代码块
void onlyMe(Integer f) {
synchronized(f) {
//TODO
}
}
synchronized关键字经过Javac编译之后，会在同步块的前后分别形成 monitorenter和monitorexit这两个字节码指令。方法中调用过的每条monitorenter指令都必须有其对应的monitorexit指令，而无论这个方法是正常结束还是异常结束。为了保证在方法异常完成时monitorenter和monitorexit指令依然可以正确配对执行，编译器会自动产生一个异常处理程序，这个异常处理程序声明可处理所有的异常，它的目的就是用来执行monitorexit指令。
这两个字节码指令都需要一个reference类型的参数来指明要锁定和解锁的对象。如果Java源码中的synchronized明确指定了对象参数，那就以这个对象的引用作为reference；如果没有明确指定，那将根据synchronized修饰的方法类型（如实例方法或类方法），来决定是取代码所在的对象实例还是取类型对应的Class对象来作为线程要持有的锁。
根据《Java虚拟机规范》的要求，在执行monitorenter指令时，首先要去尝试获取对象的锁。如果这个对象没被锁定，或者当前线程已经持有了那个对象的锁，就把锁的计数器的值增加一，而在执行monitorexit指令时会将锁计数器的值减一。一旦计数器的值为零，锁随即就被释放了。如果获取对象锁失败，那当前线程就应当被阻塞等待，直到请求锁定的对象被持有它的线程释放为止。
根据描述，我们可以得出两个关于synchronized的直接推论：
- 被synchronized修饰的同步块对同一条线程来说是可重入的。这意味着同一线程反复进入同步块也不会出现自己把自己锁死的情况。
- 被synchronized修饰的同步块在持有锁的线程执行完毕并释放锁之前，会无条件地阻塞后面其他线程的进入。这意味着无法像处理某些数据库中的锁那样，强制已获取锁的线程释放锁；也无法强制正在等待锁的线程中断等待或超时退出。
从执行成本的角度看，持有锁是一个重量级（Heavy-Weight）的操作。Java的线程是映射到操作系统的原生内核线程之上的，如果要阻塞或唤醒一条线程，则需要操作系统来帮忙完成，这就不可避免地陷入用户态到核心态的转换中，进行这种状态转换需要耗费很多的处理器时间。尤其是对于代码特别简单的同步块（譬如被synchronized修饰的getter() 或setter()方法），状态转换消耗的时间甚至会比用户代码本身执行的时间还要长。因此， synchronized是Java语言中一个重量级的操作。
volatile
使用synchronized内置锁的方式可以解决共享变量内存可见性问题，但是持有锁是一个重量级（Heavy-Weight）的操作。对于解决内存可见性问题，Java还提供了一种弱形式的同步，也就是使用volatile关键字。
volatile特性
当一个变量被定义成volatile之后，它将具备两项特性：
- 第一个是保证此变量对所有线程的可见性，这里的“可见性”是指当一条线程修改了这个变量的值，新值对于其他线程来说是可以立即得知的。
- 第二个语义是禁止指令重排序优化，普通的变量仅会保证在该方法的执行过程中所有依赖赋值结果的地方都能获取到正确的结果，而不能保证变量赋值操作的顺序与程序代码中的 执行顺序一致
当且仅当满足以下所有条件时，才应该使用volatile变量：
- 对变量的写入操作不依赖变量的当前值，或者你能确保只有单个线程更新变量的值。
- 该变量不会与其他状态变量一起纳入不变性条件中。
- 在访问变量时不需要加锁
volatile写-读的内存语义
volatile写的内存语义,当写一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量值刷新到主内存。
volatile读的内存语义,当读一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存置为无效。线程接下来将从主内存中读取共享变量。
- 线程A写一个volatile变量，实质上是线程A向接下来将要读这个volatile变量的某个线程发出了（其对共享变量所做修改的）消息。
- 线程B读一个volatile变量，实质上是线程B接收了之前某个线程发出的（在写这个volatile 变量之前对共享变量所做修改的）消息。
- 线程A写一个volatile变量，随后线程B读这个volatile变量，这个过程实质上是线程A通过 主内存向线程B发送消息。
volatile内存语义的实现
重排序分为编译器重排序和处理器重排序。为了实现volatile内存语义，JMM 会分别限制这两种类型的重排序类型。volatile重排序规则：
- 当第二个操作是volatile写时，不管第一个操作是什么，都不能重排序。这个规则确保volatile写之前的操作不会被编译器重排序到volatile写之后。
- 当第一个操作是volatile读时，不管第二个操作是什么，都不能重排序。这个规则确保volatile读之后的操作不会被编译器重排序到volatile读之前。
- 当第一个操作是volatile写，第二个操作是volatile读时，不能重排序。
为了实现volatile的内存语义，编译器在生成字节码时，会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。JMM内存屏障插入策略：
- 在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障。
- 在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障。
- 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障。
- 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障。
volatile写插入内存屏障后生成的指令:
StoreStore屏障可以保证在volatile写之前，其前面的所有普通写操作已经对任意处理器可见了。这是因为StoreStore屏障将保障上面所有的普通写在volatile写之前刷新到主内存。
volatile写后面的StoreLoad屏障。此屏障的作用是避免volatile写与后面可能有的volatile读/写操作重排序。因为编译器常常无法准确判断在一个volatile写的后面是否需要插入一个StoreLoad屏障（比如，一个volatile写之后方法立即return）。为了保证能正确实现volatile的内存语义，JMM在采取了保守策略：在每个volatile写的后面，或者在每个volatile 读的前面插入一个StoreLoad屏障。从整体执行效率的角度考虑，JMM最终选择了在每个volatile写的后面插入一个StoreLoad屏障。因为volatile写-读内存语义的常见使用模式是：一个写线程写volatile变量，多个读线程读同一个volatile变量。当读线程的数量大大超过写线程时， 选择在volatile写之后插入StoreLoad屏障将带来可观的执行效率的提升。
volatile读插入内存屏障后生成的指令序列:
LoadLoad屏障用来禁止处理器把上面的volatile读与下面的普通读重排序。 LoadStore屏障用来禁止处理器把上面的volatile读与下面的普通写重排序。
锁的内存语义
锁的释放-获取建立的happens-before关系
锁是Java并发编程中最重要的同步机制。锁除了让临界区互斥执行外，还可以让释放锁的线程向获取同一个锁的线程发送消息。
class MonitorExample {
int a = 0;
public synchronized void writer() { // 1
a++; // 2
} // 3
public synchronized void reader() { // 4
int i = a; // 5
} // 6
}
假设线程A执行writer()方法，随后线程B执行reader()方法。
根据happens-before规则，这个过程包含的happens-before关系可以分为3类
- 根据程序次序规则，1 happens-before 2,2 happens-before 3;4 happens-before 5,5 happens- before 6。
- 根据监视器锁规则，3 happens-before 4。
- 根据传递性，2 happens-before 5。
happens-before关系图
每一个箭头链接的两个节点，代表了一个happens-before关系。黑色箭头表示程序顺序规则；橙色箭头表示监视器锁规则；蓝色箭头表示组合这些规则后提供的happens- before保证。表示在线程A释放了锁之后，随后线程B获取同一个锁。因此，线程A在释放锁之前所有可见的共享变量，在线程B获取同一个锁之后，将立刻变得对B线程可见。
锁的释放和获取的内存语义
当线程释放锁时，JMM(Java内存模型)会把该线程对应的本地内存中的共享变量刷新到主内存中。以上面的MonitorExample程序为例，A线程释放锁后，共享数据的状态如下
共享数据的状态示意图
当线程获取锁时，JMM会把该线程对应的本地内存置为无效。从而使得被监视器保护的临界区代码必须从主内存中读取共享变量。
锁获取的状态示意图
对比锁释放-获取的内存语义与volatile写-读的内存语义可以看出：锁释放与volatile写有 相同的内存语义；锁获取与volatile读有相同的内存语义。下面对锁释放和锁获取的内存语义做个总结。
- 线程A释放一个锁，实质上是线程A向接下来将要获取这个锁的某个线程发出了（线程A对共享变量所做修改的）消息。
- 线程B获取一个锁，实质上是线程B接收了之前某个线程发出的（在释放这个锁之前对共享变量所做修改的）消息。
- 线程A释放锁，随后线程B获取这个锁，这个过程实质上是线程A通过主内存向线程B发送消息。
锁的升级与对比
JDK6中，锁一共有4种状态，级别从低到高依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态，这几个状态会随着竞争情况逐渐升级。锁可以升级但不能降级，意味着偏向锁升级成轻量级锁后不能降级成偏向锁。这种锁升级却不能降级的策略，目的是为了提高获得锁和释放锁的效率。
HotSpot虚拟机对象头Mark Word
偏向锁
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，为了让线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁。偏向锁中的“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，该锁一直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
偏向锁的获取
当一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程ID，以后该线程在进入和退出同步块时不需要进行CAS操作来加锁和解锁，只需简单地测试一下对象头的Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。如果测试成功，表示线程已经获得了锁。如果测试失败，则需要再测试一下Mark Word中偏向锁的标识是否设置成1（表示当前是偏向锁）：如果没有设置，则使用CAS竞争锁；如果设置了，则尝试使用CAS将对象头的偏向锁指向当前线程。
偏向锁的撤销
偏向锁使用了一种等到竞争出现才释放锁的机制，所以当其他线程尝试竞争偏向锁时， 持有偏向锁的线程才会释放锁。偏向锁的撤销，需要等待全局安全点（在这个时间点上没有正在执行的字节码）。它会首先暂停拥有偏向锁的线程，然后检查持有偏向锁的线程是否活着， 如果线程不处于活动状态，则将对象头设置成无锁状态；如果线程仍然活着，拥有偏向锁的栈 会被执行，遍历偏向对象的锁记录，栈中的锁记录和对象头的Mark Word要么重新偏向于其他线程，要么恢复到无锁或者标记对象不适合作为偏向锁，最后唤醒暂停的线程。
偏向锁初始化的流程
关闭偏向锁
偏向锁在Java 6和Java 7里是默认启用的，但是它在应用程序启动几秒钟之后才激活，如 有必要可以使用JVM参数来关闭延迟：-XX:BiasedLockingStartupDelay=0。如果你确定应用程 序里所有的锁通常情况下处于竞争状态，可以通过JVM参数关闭偏向锁：-XX:- UseBiasedLocking=false，那么程序默认会进入轻量级锁状态。
轻量级锁
轻量级锁并不是用来代替重量级锁的，它设计的初衷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。
轻量级锁加锁
在代码即将进入同步块的时候，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Mark Word的拷贝（官方为 这份拷贝加了一个Displaced前缀，即Displaced Mark Word）
然后，虚拟机将使用CAS操作尝试把对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针。如果这个更新动作成功了，即代表该线程拥有了这个对象的锁，并且对象Mark Word的锁标志位（Mark Word的 最后两个比特）将转变为“00”，表示此对象处于轻量级锁定状态。
如果这个更新操作失败了，那就意味着至少存在一条线程与当前线程竞争获取该对象的锁。虚拟机首先会检查对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果是，说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那直接进入同步块继续执行就可以了，否则就说明这个锁对象已经被其他线程抢占了。如果出现两条以上的线程争用同一个锁的情况，那轻量级锁就不再有效，必须要膨胀为重量级锁，锁标的状态值变为“10”，此时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必须进入阻塞状态。
轻量级锁解锁
如果对象的 Mark Word仍然指向线程的锁记录，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。假如能够成功替换，那整个同步过程就顺利完成了；如果替换失败，则说明有其他线程尝试过获取该锁，就要在释放锁的同时，唤醒被挂起的线程。
轻量级锁性能
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”这一经验法则。如果没有竞争，轻量级锁便通过CAS操作成功避免了使用互斥量的开销；但如果确实存在锁竞争，除了互斥量的本身开销外，还额外发生了CAS操作的开销。因此在有竞争的情况下，轻量级锁反而会比传统的重量级锁更慢。
锁的优缺点对比
JVM对锁的优化
自旋锁
绝大多数的个人电脑和服务器都是多核处理器系 统，如果物理机器有一个以上的处理器或者处理器核心，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“稍等一会”，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，我们只须让线程执行一个忙循环（自旋），这项技术就是所谓的自旋锁。
在JDK 6中默认开启。自旋等待不能代替阻塞，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，所以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，而不会做任何有价值的工作，这就会带来性能的浪费。因此自旋等待的时间必须有一定的限度，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。自旋次数的默认值是十次，用户也可以使用参数-XX：PreBlockSpin来自行更改。
在JDK 6中对自旋锁的优化，引入了自适应的自旋。自适应意味着自旋的时间不再是固定的了，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的。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，进而允许自旋等待持续相对更长的时间，比如持续100次忙循环。另一方面，如果对于某个锁，自旋很少成功获得过锁，那在以后要获取这个锁时将有可能直接省略掉自旋过程，以避免浪费处理器资源。有了自适应自旋，随着程序运行时间的增长及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精准，虚拟机就会变得越来越“聪明”了。
锁消除
锁消除是指虚拟机即时编译器在运行时，对一些代码要求同步，但是对被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行消除。如果判断到一段代码中，在堆上的所有数据都不会被其他线程访问到，那就可以把它们当作栈上数据对待，认为它们是线程私有的，同步加锁自然就无须再进行。虽然有锁，但是可以被安全地消除掉。在解释执行时这里仍然会加锁，但在经过服务端编译器的即时编译之后，这段代码就会忽略所有的同步措施而直接执行。
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少，即使存在锁竞争，等待锁的线程也能尽可能快地拿到锁。 大多数情况下，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之中的，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。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，这样只需要加锁一次就可以了。
代码中锁的优化
使用多个线程的目标是提升整体性能，但与单线程的方法相比，使用多个线程总会引人一些额外的性能开销。造成这些开销的操作包括：线程之间的协调（例如加锁、触发信号以及内存同步等），增加的上下文切换，线程的创建和销毁，以及线程的调度等。如果过度地使用线程，那么这些开销甚至会超过由于提高吞吐量、响应性或者计算能力所带来的性能提升。
减少锁的竞争
减少锁的竞争能够提高性能和可伸缩性。 在对由某个独占锁保护的资源进行访问时，将采用串行方式——每次只有一个线程能访问它。当然，我们有很好的理由来使用锁，例如避免数据被破坏，但获得这种安全性是需要付出代价的。如果在锁上持续发生竞争，那么将限制代码的可伸缩性。 在并发程序中，对可伸缩性的最主要威胁就是独占方或的资源锁。
有3种方式可以降低锁的竞争程度:
- 减少锁的持有时间。
- 降低锁的请求频率。
- 使用带有协调机制的独占锁，这些机制充评更高的并发性。
缩小锁的范围（“快进快出”）
降低发生竞争可能性的一种有效方式就是尽可能缩短锁的持有时间。可以将一些与锁无关的代码移出同步代码块，尤其是那些开销较大的操作，以及可能被阻塞的操作，例如I/O操作。 我们都知道，如果将一个“高度竞争”的锁持有过长的时间，那么会限制可伸缩性。尽管缩小同步代码块能提高可伸缩性，但同步代码块也不能过小——一些需要采用原子方式执行的操作必须包含在一个同步块中。此外，同步需要一定的开销，当把一个同步代码块分解为多个同步代码块时（在确保正确性的情况下），反而会对性能提升产生负面影响。在分解同步代码块时，理想的平衡点将与平台相关，但在实际情况中，仅当可以将一些“大量”的计算或阻塞操作从同步代码块中移出时，才应该考虑同步代码块的大小。
减小锁的粒度
另一种减小锁的持有时间的方式是降低线程请求锁的频率（从而减小发生竞争的可能性）。 这可以通过锁分解和锁分段等技术来实现，在这些技术中将采用多个相互独立的锁来保护独立的状态变量，从而改变这些变量在之前由单个锁来保护的情况。这些技术能减小锁操作的粒度，并能实现更高的可伸缩性，然而，使用的锁越多，那么发生死锁的风险也就越高。
设想一下，如果在整个应用程序中只有一个锁，而不是为每个对象分配一个独立的锁，那么，所有同步代码块的执行就会变成串行化执行，而不考虑各个同步块中的锁。由于很多线程将竞争同一个全局锁，因此两个线程同时请求这个锁的概率将剧增，从而导致更严重的竞争。 所以如果将这些锁请求分布到更多的锁上，那么能有效地降低竞争程度。由于等待锁而被阻塞的线程将更少，因此可伸缩性将提高。 如果一个锁需要保护多个相互独立的状态变量，那么可以将这个锁分解为多个锁，并且每个锁只保护一个变量，从而提高可伸缩性，并最终降低每个锁被请求的频率。
锁分段
把一个竞争激烈的锁分解为两个锁时，这两个锁可能都存在激烈的竞争。虽然采用两个线程并发执行能提高一部分可伸缩性，但在一个拥有多个处理器的系统中，仍然无法给可伸缩性带来极大的提高。
在某些情况下，可以将锁分解技术进一步扩展为对一组独立对象上的锁进行分解，这种情况被称为锁分段。在ConcurrentHashMap的实现中使用了一个包含16个锁的数组，每个锁保护所有散列桶的1/16，其中第N个散列桶由第（Nmod16）个锁来保护。假设散列函数具有合理的分布性，并且关键字能够实现均匀分布，那么这大约能把对于锁的请求减少到原来的1/16。正是这项技术使得 ConcurrentHashMap能够支持多达16个并发的写入器。
锁分段的一个劣势在于：与采用单个锁来实现独占访问相比，要获取多个锁来实现独占访问将更加困难并且开销更高。通常，在执行一个操作时最多只需获取一个锁，但在某些情况下需要加锁整个容器，例如当ConcurrentHashMap 需要扩展映射范围，以及重新计算键值的散列值要分布到更大集合中时，就需要获取分段所集合中所有的锁。
在互斥同步这四个字里面，互斥是因，同步是果；互斥是方法，同步是目的
参考
深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践（第3版）
Java并发编程实战
Java并发编程艺术
