Synchronized偏向鎖和輕量級鎖的升級
一、Synchronized實現原理
1、Synchronized鎖的3中形式
利用 synchronized 實現同步的基礎：Java 中的每一個對象都可以作爲鎖。具體表現爲以下3種形式。
- 對於普通同步方法，鎖是當前實例對象。
- 對於靜態同步方法，鎖是當前類的 Class 對象。
- 對於同步方法塊，鎖是 Synchonized 括號裏配置的對象。
2、Synchronized在JVM裏的實現
從 JVM 規範中可以看到 Synchonized 在 JVM 裏的實現原理，JVM 基於進入和退出 Monitor 對象來實現方法同步和代碼塊同步，但兩者的實現細節不一樣。代碼塊同步是使用 monitorenter 和 monitorexit 指令實現的，而方法同步是使用另外一種方式實現的，細節在 JVM 規範裏並沒有詳細說明。但是，方法的同步同樣可以使用這兩個指令來實現。
monitorenter 指令是在編譯後插入到同步代碼塊的開始位置，而 monitorexit 是插入到方法結束處和異常處，JVM 要保證每個 monitorenter 必須有對應的 monitorexit 與之配對。任何對象都有一個 monitor 與之關聯，當且一個 monitor 被持有後，它將處於鎖定狀態。線程執行到 monitorenter 指令時，將會嘗試獲取對象所對應的 monitor 的所有權，即嘗試獲得對象的鎖。
3、Java對象頭
synchronized 用的鎖是存在 Java 對象頭裏的。如果對象是數組類型，則虛擬機用3個字寬（Word）存儲對象頭，如果對象是非數組類型，則用2字寬存儲對象頭。在32位虛擬機中，1字寬等於4字節，即 32bit，如表1所示。
表1 Java 對象頭的長度
Java 對象頭裏的 Mark Word 裏默認存儲對象的 HashCode、分代年齡和鎖標記位。32位 JVM 的 Mark Word 的默認存儲結構如表2所示。
表2 Java 對象頭的存儲結構
在運行期間，Mark Word 裏存儲的數據會隨着鎖標誌位的變化而變化。Mark Word 可能變化爲存儲以下4種數據，如表3所示。
表3 Mark Word 的狀態變化
在64位虛擬機下，Mark Word 是 64bit 大小的，其存儲結構如表2-5所示。
表4 Mark Word 的存儲結構
二、鎖升級
1、鎖的4種狀態
無鎖狀態、偏向鎖狀態、輕量級鎖狀態、重量級鎖狀態（級別從低到高）。
2、偏向鎖
爲什麼要引入偏向鎖？
HotSpot 的作者經過研究發現，大多數情況下，鎖不僅不存在多線程競爭，而且總是由同一線程多次獲得，爲了讓線程獲得鎖的代價更低而引入了偏向鎖。
偏向鎖的升級
當線程 1 訪問同步塊並獲取鎖時，會在對象頭和棧幀中的鎖記錄裏存儲鎖偏向的線程 ID，因爲偏向鎖不會主動釋放鎖，因此以後線程 1 再次獲取鎖的時候，需要比較當前線程的線程 ID 和對象頭中的線程 ID 是否一致，如果一致（還是線程 1 獲取鎖對象），則無需使用 CAS 來加鎖、解鎖；如果不一致（其他線程，如線程 2 要競爭鎖對象，而偏向鎖不會主動釋放因此還是存儲的線程 1 的線程 ID），那麼需要查看對象頭中記錄的線程 1 是否存活，如果沒有存活，那麼鎖對象被重置爲無鎖狀態，其它線程（線程 2）可以競爭將其設置爲偏向鎖；如果存活，那麼立刻查找該線程（線程 1）的棧幀信息，如果還是需要繼續持有這個鎖對象，那麼暫停當前線程 1，撤銷偏向鎖，升級爲輕量級鎖，如果線程 1 不再使用該鎖對象，那麼將鎖對象狀態設爲無鎖狀態，重新偏向新的線程。
3、輕量級鎖
爲什麼要引入輕量級鎖？
輕量級鎖考慮的是競爭鎖對象的線程不多，而且線程持有鎖的時間也不長的情景。因爲阻塞線程需要 CPU 從用戶態轉到內核態，代價較大，如果剛剛阻塞不久這個鎖就被釋放了，那這個代價就有點得不償失了，因此這個時候就乾脆不阻塞這個線程，讓它自旋着等待鎖釋放。
輕量級鎖什麼時候升級爲重量級鎖？
線程 1 獲取輕量級鎖時會先把鎖對象的對象頭 Mark Word 複製一份到線程 1 的棧幀中創建的用於存儲鎖記錄的空間（稱爲 Displaced Mark Word），然後使用 CAS 把對象頭中的內容替換爲線程 1 的鎖記錄地址；
如果在線程 1 複製對象頭的同時（在線程 1 CAS 之前），線程 2 也準備獲取鎖，複製了對象頭到線程 2 的鎖記錄空間中，但是在線程 2 CAS 的時候，發現線程 1 已經把對象頭換了，線程 2 的 CAS 失敗，那麼線程 2 就嘗試使用自旋鎖來等待線程 1 釋放鎖。
但是如果自旋的時間太長也不行，因爲自旋是要消耗 CPU 的，因此自旋的次數是有限制的，比如 10 次或者 100 次，如果自旋次數到了線程 1 還沒有釋放鎖，或者線程 1 還在執行，線程2還在自旋等待，這時又有一個線程 3 過來競爭這個鎖對象，那麼這個時候輕量級鎖就會膨脹爲重量級鎖。重量級鎖把除了擁有鎖的線程都阻塞，防止 CPU 空轉。
注意：爲了避免無用的自旋，輕量級鎖一旦膨脹爲重量級鎖就不會再降級爲輕量級鎖了；偏向鎖升級爲輕量級鎖也不能再降級爲偏向鎖。一句話就是鎖可以升級不可以降級，但是偏向鎖狀態可以被重置爲無鎖狀態。
4、這幾種鎖的優缺點（偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖）
總結
一個對象剛開始實例化的時候，沒有任何線程來訪問它的時候。它是可偏向的，意味着，它現在認爲只可能有一個線程來訪問它，所以當第一個線程來訪問它的時候，它會偏向這個線程，此時，對象持有偏向鎖。偏向第一個線程，這個線程在修改對象頭成爲偏向鎖的時候使用 CAS 操作，並將對象頭中的線程 ID 改成自己的 ID，之後再次訪問這個對象時，只需要對比 ID，不需要再使用 CAS 在進行操作。（偏向鎖只進行一次 CAS 操作）
一旦有第二個線程訪問這個對象，因爲偏向鎖不會主動釋放，所以第二個線程可以看到對象是偏向狀態，這時表明在這個對象上已經存在競爭了，檢查原來持有該對象鎖的線程是否依然存活，如果掛了，則可以將對象變爲無鎖狀態，然後重新偏向新的線程。如果原來的線程依然存活，則馬上執行那個線程的操作棧，檢查該對象的使用情況，如果仍然需要持有偏向鎖，則偏向鎖升級爲輕量級鎖，（偏向鎖就是這個時候升級爲輕量級鎖的）。
如果不存在使用了，則可以將對象恢復成無鎖狀態，然後重新偏向。輕量級鎖認爲競爭存在，但是競爭的程度很輕，一般兩個線程對於同一個鎖的操作都會錯開，或者說稍微等待一下（自旋），另一個線程就會釋放鎖。但是當自旋超過一定的次數，或者一個線程在持有鎖，一個在自旋，又有第三個來訪時，輕量級鎖膨脹爲重量級鎖，重量級鎖使除了擁有鎖的線程以外的線程都阻塞，防止CPU空轉。