一、volatile 与 synchronized 关键字 的原理
Java代码首先会被编译成字节码文件。字节码文件被加载到JVM中，JVM将字节码翻译成汇编指令，从而在CPU中执行。
谈到volatile关键字，就会想到两点：
（1）让变量在多个线程之间可见，并且强制线程从公共堆栈中取得变量的值（常见的从变量和线程的角度分别阐释）。
（2）禁止JVM指令重排序优化。
上述只是现象，原理可以粗略理解为：强制线程把修改的数据写回主内存，并且让其它线程的相关缓存失效，需要从主存中重新读取数据。
synchronized本质其实就是获取对象的监视器，这个过程是排他的，同一时刻只有一个线程能够获取到同步锁对象的监视器。
获取对象监视器的线程失败后，将会回到同步队列，其线程的状态进入BLOCKED状态。
二、synchronized关键字的优化
CAS可以粗略的理解为 "读改写" 操作。
对象的结构简单示意：对象由 “对象头” 和 “对象实例”组成。对象头 由“ 锁状态”等信息组成。
synchronized 用的锁是存在 Java 对象头里的。
锁的状态有4种，级别从低到高依次是： 无锁状态 、 偏向锁状态 、 轻量级锁状态 、 重量级锁状态
（1）偏向锁：如果一个线程获得了锁，那么锁就会进入偏向模式。当这个线程再次请求锁的时候，无需在做任何同步操作。这样就节省了大量有关锁申请的操作，从而提高了程序的性能。
因此，对于几乎没有锁竞争的场合，偏向锁有比较好的优化效果，因为连续多次极有可能是同一个线程请求相同的锁。而对于锁竞争比较激烈的场合，其效果不佳。因为在竞争激烈的场合，最有可能的情况是每次都是不同的线程来请求相同的锁。这样偏向模式会失效，撤销锁将会带来额外的性能消耗，因此还不如不启用偏向锁。使用Java虚拟机参数-XX：+UseBiasedLocking可以开启偏向锁。
（2）轻量级锁：如果锁被其它线程抢夺了，也就是偏向锁失败，虚拟机并不会立即挂起线程。它还会使用一种称为轻量级锁的优化手段。轻量级锁的目标是允许多个线程获取锁，但是不能出竞争， 否则轻量级锁膨胀为重量级锁。轻量级锁只是简单地将对象头部作为指针，指向持有锁的线程堆栈的内部，来判断一个线程是否持有对象锁。如果线程获得轻量级锁成功，则可以顺利进入临界区。如果轻量级锁加锁失败，则表示其他线程抢先争夺到了锁，那么当前线程的锁请求就会膨胀为重量级锁。竞争的线程不会真正的阻塞，它通过不断的自旋来争取同步锁，相当于还没有待机。
（3）自旋锁：轻量级锁就会膨胀为重量级锁后，虚拟机为了避免线程真实的在操作系统层面挂起，虚拟机还会在做最后的努力--自旋锁。若经过几个空循环可以获取到锁则进入临界区，如果还是获取不到则系统会真正的挂起线程。
（4）重量级锁：线程没有争取到锁，直接进入BLOCKED状态，再次启动去争取同步锁较为消耗时间。
为什么锁的升级无法逆向?
自旋锁无法预知到底会空循环几个时钟周期，并且会很消耗 CPU，为了避免这种无用的自旋操作，一旦锁升级为重量锁，就不会再恢复到轻量级锁
轻量级锁
如果说偏向锁是只允许一个线程获得锁，那么轻量级锁就是允许多个线程获得锁，但是只允许他们顺序拿锁，不允许出现竞争，也就是拿锁失败的情况，轻量级锁的步骤如下：
1）线程1在执行同步代码块之前，JVM会先在当前线程的中创建一个锁记录，然后再把同步锁的对象头中的Mark Word复制到该锁记录中，官方称之为Displaced Mark Word。然后线程尝试使用CAS将对象头中的Mark Word 指向那个线程的锁记录，即让锁对象记录哪个线程要获取锁。如果成功，则获得锁，进入步骤3）。如果线程发现指针指向了别的线程的锁记录，则就是有其它线程在竞争同步锁，则失败执行步骤2）
2）线程自旋，自旋成功则获得锁，进入步骤3）。自旋失败，则膨胀成为重量级锁，并把锁标志位变为10，线程阻塞进入步骤3）
3）锁的持有线程执行同步代码，执行完CAS替换Mark Word成功释放锁，即把锁记录的数据，重写写入锁对象的对象头中，相当于归还一样。如果CAS成功则流程结束，CAS失败执行步骤4）
4）CAS执行失败说明期间有线程尝试获得锁并自旋失败，轻量级锁升级为了重量级锁，此时释放锁之后，还要唤醒等待的线程
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