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1.1、想个问题：偏向锁/轻量锁/重量锁 锁状态存放在我们对象什么地方中？
一、Java JUC简介
在Java5.0提供了java.util.concurrent包，简称JUC包，在此包中增加了在并发编程中很常用的实用工具类，用于定义类似于县城的自定义子系统，包括线程池、异步 IO 和轻量级任务框架。提供可调的、灵活的线程池。还提供了设计用于多线程上下文中的Collection实现等。
二、CPU相关知识
1、CPU时间片
CPU时间片：CPU分配给各个程序的使用时间，每个线程被分配一个时间段，称作它的时间片；即该进程允许运行的时间，使各个程序从表面上看是同时进行的。如果在时间片结束时进程还在运行，则CPU将被剥夺并分配给另一个进程。如果进程在时间片结束前阻塞或结束，则CPU当即进行切换。
- 单核的cpu上每次只能够执行一次线程，如果在单核的cpu上开启了多线程，则会发生对每个线程轮流执行 。
- cpu每次单个计算的时间成为一个cpu时间片，实际只有几十毫秒人为感觉好像是在多线程。
- 如果在单核的cpu之上开启了多线程，底层执行并不是真正意义上的多线程。
说明：由于只有一个CPU，一次只能处理程序要求的一部分，如何处理公平，一种方法就是引入时间片，每个程序轮流执行。
上下文切换耗时3us微妙左右（最低值是200ns纳秒），根据机器不同略有差异。
2、Cpu密集型/IO密集型
Cpu密集型：长时间占用cpu；例如： 视频剪辑
IO密集型 ：cpu计算时间短，访问外接设备时间长，如读取数据量、rpc远程调用
3、CPU上下文切换
Linux 是一个多任务的操作系统，它支持远大于CPU数量的任务同时运行，当然并不是真正的同时运行，是每个任务轮流执行CPU分给他们的时间片，让人感觉是同时在运行。
每一个任务运行前，CPU都需要知道任务从哪里加载，又从哪里运行，也就是说，需要系统事先设置好CPU寄存器。
CPU寄存器包含指令寄存器(IR)和程序计数器(PC)。他们用来暂存指令，数据和地址，程序运行的下一条指令地址，这些都是任务运行时的必要环境。因此也被称作CPU上下文
上下文切换就是把前一个任务的CPU上下文保存起来，然后加载新任务的上下文到寄存器中；
这些被保存下来的上下文会存储在操作系统的内核中，等再次加载时，这样就能保证任务的原来状态不受影响，让任务看起来是连续运行的。
3.1、程序计数器
程序计数器是用于存放线程下一步所该操作地址的地方。
4、用户态与内核态区别（也叫用户空间、内核空间）！！
内核态：运行操作系统程序，操作硬件 （内核空间）
用户态：运行用户程序（用户空间）
为了安全应用程序无法直接调用的硬件的功能，而是将这些功能封装成特定的函数。当应用程序需要硬件功能时（例如读写文件），就需要进行系统调用。当进程进行系统调用时就从用户态装换为内核态。
4.1、线程安全同步的方式
阻塞式：synchronized/ lock(aqs) 当前线程如果没有获取到锁，当前的线程就会被阻塞等待。
非阻塞式：CAS 当前线程如果没有获取到锁，不会阻塞等待，而是一直不断重试。
堵塞式 -》重量级锁 ----------- 内存态
非堵塞式 -》轻量级锁 ------------ 用户态
Synchronized 重量级锁获取锁的流程：
需要经历用户态与内核态切换：首先从内核态阻塞状态进行唤醒，然后切换用户态从新cpu调度。
4.2、传统锁有哪些缺点
在使用synchronized1.0版本 如果没有获取到锁的情况下则当前线程直接会变为阻塞的状态----升级为重量级锁，在后期唤醒的成本会非常高（需要在内核态唤醒再切换到用户态）。
CAS锁运行用户态，缺点：cpu飙高。
synchronized现在版本：偏向锁 →轻量级锁（cas）→重量级锁。
轻量级都是在用户态完成；
重量级需要用户态与内核态切换；
内核空间、用户空间
5、发生CPU上下文切换的原因
通过调用下列方法会导致自发性上下文切换：
Thread.sleep()
Object.wait()
Thread.join()
Thread.yeild()
LockSupport.park()
6、如何避免上下文切换
1. 多线程竞争锁时，加锁、释放锁会导致比较多的上下文切换；
2. 使用最少线程。避免创建不需要的线程；
3.CAS算法，Java的Atomic包使用CAS算法来更新数据，而不需要加锁，可能会消耗cpu资源。
CAS 优点： 避免用户态到内核态切换
缺点： 非常消耗cpu的资源
二、synchronized前置知识
1、重入锁
重入锁：当前线程如果已经获取到锁，则不会重复的获取锁，而是直接复用。
synchronized/lock
2、偏向锁>>轻量级锁>>重量级锁应用场景！！！
1.偏向锁：加锁和解锁不需要额外的开销，只适合于同一个线程访问同步代码块，无需额外的开销，如果多个线程同时竞争的时候，会撤销该锁。
2.轻量级锁：竞争的线程不会阻塞，提高了程序响应速度，如果始终得不到锁的竞争线程，则使用自旋的形式，消耗cpu资源，适合于同步代码块执行非常快的情况下，自旋（jdk1.7以后智能自转）
3.重量级锁： 线程的竞争不会使用自旋，不会消耗cpu资源，适合于同步代码执行比较长的时间。
2.1、偏向锁与重入锁之间有什么区别？
偏向锁与重入锁实现的思路基本上相同
偏向锁---当前只有一个线程的情况下，没有其他的线程竞争锁，该锁一直会被我们的该线程持有
----不会立即释放锁
偏向锁：需要有另外的一个线程竞争该锁，就会撤销我们的偏向锁，根据线程id判断
重入锁：当前线程如果已经获取到了锁，当前线程中 方法如果有需要获取锁的话，则直接复用。
三、synchronized原理分析
Synchronized 底层是在虚拟机实现好的 源码属于C++编写
1、JVM对象头
New 一个对象 占用多少字节呢？
一个对象如何组成的？
对象头 Mark Word Klass Pointer
实例数据-----成员属性
对齐填充----
Class User{
Int i=1;
}
1.1、想个问题：偏向锁/轻量锁/重量锁 锁状态存放在我们对象什么地方中？
1.2、对象在内存中的布局？
在JVM中，对象在内存中的布局分为三个部分：对象头、实例属性和对齐填充。
1. HotSpot虚拟机的对象头(Object Header)包括两部分信息：
第一部分"Mark Word":用于存储对象自身的运行时数据， 如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等.
第二部分"Klass Pointer"：对象指向它的类的元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。(数组，对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据，因为虚拟机可以通过普通Java对象的元数据信息确定Java对象的大小，但是从数组的元数据中无法确定数组的大小。 )
markword : 32位 占4字节 ，64位 占 8字节
klasspoint : 开启压缩占4字节，未开启压缩 占 8字节。
64位对象头占用8+8=16字节。 开启压缩指针后对象头占12字节（默认开启压缩）。
2. 实例属性
就是定义类中的成员属性
3. 对齐填充
对齐填充并不是必然存在的，也没有特定的含义，仅仅起着占位符的作用。
由于HotSpot虚拟机的自动内存管理系统要求对象的起始地址必须是8字节的整数倍，也就是对象的大小必须是8字节的整数倍。而对象头部分正好是8字节的倍数（1倍或者2倍），因此，当对象实例数据部分没有对齐的时候，就需要通过对齐填充来补全。
1.3、New 一个对象占用多少字节！！
1Byte=8bit (1B＝8bit)
1KB=1024Byte
1MB=1024KB
1GB=1024MB
byte 8bit 1字节
char 16bit 2字节
short 16bit 2字节
int 32bit 4字节
long 64bit 8字节
float 32bit
double 64bit
boolean 1bit
// 查看Java对象布局
<dependency>
<groupId>org.openjdk.jol</groupId>
<artifactId>jol-core</artifactId>
<version>0.10</version>
</dependency>| public class Test03 {
|
执行结果：
在开启了指针压缩的情况下：MayiktLockObject对象占用大小
对象头：12个字节
实例数据： int j=4 4个字节 long i=1 8个字节 boolean m=false 1个字节
对齐补充： 7个字节。（需要被8整除）
总共32个字节。
未开启指针压缩情况下：
对象头：16个字节
实例数据： int j=4 4个字节 long i=1 8个字节 boolean m=false 1个字节
对齐补充： 3个字节。（需要被8整除）
总共32个字节。
2、对象头详解
① 哈希值：它是一个地址，用于栈对堆空间中对象的引用指向，不然栈是无法找到堆中对象的。
②GC分代年龄（占4位）：记录幸存者区对象被GC之后的年龄age，一般age为15（阈值为15的原因是因为age只有4位最大就可以将阈值设置15）之后下一次GC就会直接进入老年代，要是还没有等到年龄为15，幸存者区就满了怎么办，那就下一次GC就将大对象或者年龄大者直接进入老年代。
③ 锁状态标志：记录一些加锁的信息(我们都是使用加锁的话，在底层是锁的对象，而不是锁的代码，锁对象的话，那会改变什么信息来表示这个对象被改变了呢？也就是怎么才算加锁了呢？
2.1、对象的5种状态
1.无锁
2.偏向锁
3.轻量锁
4.重量锁
5.GC标记
2.2、synchronized底层实现原理总结
1. Synchronized 偏向锁(101)、轻量锁(000)、重量级(010)
2. Synchronized 锁的升级状态存放在 java对象头中markword中
3. 偏向锁： 当前线程从对象头中markword获取是否是为偏向锁，如果是为偏向锁，则判断线程的id===当前线程id
3.1. 如果等于当前的线程id，则不会重复的执行CAS操作，而是直接进入到我们的同步代码快
3.2. 如果不等于当前的线程id，如果是为无锁的情况，没有其他的线程与我竞争的话，直接使用CAS修改对象头中锁的标识位状态为101，同时也存放当前线程的id在对象头中。
4. 其他的线程与偏向锁线程开始竞争达到20次后会升级为轻量级锁CAS，修改对象头锁的状态为00，（CAS锁对CPU资源消耗比较大，但是可以减少CPU上下文切换）
5. 当前我们的线程重试了多次还是没有获取到锁，则当前锁会升级为重量级锁
重量级锁：减轻对CPU消耗资源，但是后期唤醒成本高，需要从内核态唤醒。
3、小结
偏向锁、轻量级锁、重量级锁适用于不同的并发场景：
- 偏向锁：无实际竞争，且将来只有第一个申请锁的线程会使用锁。
- 轻量级锁：无实际竞争，多个线程交替使用锁；允许短时间的锁竞争。
- 重量级锁：有实际竞争，且锁竞争时间长。
重量级锁依赖于操作系统的互斥锁实现，互斥锁操作会导致进程从用户态与内核态之间的切换、进程的上下文切换，是一个开销较大的操作。