一.前置知識
java對象頭
在JVM中，實例對象在內存中的佈局分爲三塊區域：對象頭、實例變量和填充數據。如下：
- 對象頭：Hotspot虛擬機的對象頭主要包括兩部分數據：Mark Word（標記字段）、Klass Pointer（類型指針）、Array length（數組長度，只有數組類型纔有）。
- 實例變量：存放類的屬性數據信息，包括父類的屬性信息，如果是數組的實例部分還包括數組的長度，這部分內存按4字節對齊。其實就是在java代碼中能看到的屬性和他們的值。
- 填充數據：由於虛擬機要求對象起始地址必須是8字節的整數倍。填充數據不是必須存在的，僅僅是爲了字節對齊。
Mark Word
Mark Word記錄了對象和鎖有關的信息，當這個對象被synchronized關鍵字當成同步鎖時，圍繞這個鎖的一系列操作都和Mark Word有關
二.鎖的分類
鎖的級別從低到高：無鎖、偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖。
鎖四種級別的由來：
Java SE 1.6爲了 減少獲得鎖和釋放鎖帶來的性能消耗，引入了“偏向鎖”和“輕量級鎖”，在Java SE 1.6中，鎖一共有4種狀態，級別從低到高依次是：無鎖狀態、偏向鎖狀態、輕量級鎖狀態和重量級鎖狀態，這幾個狀態會隨着競爭情況逐漸升級。鎖可以升級但不能降級，意味着偏向鎖升級成輕量級鎖後不能降級成偏向鎖。這種鎖升級卻不能降級的策略，目的是爲了提高獲得鎖和釋放鎖的效率。
1.偏向鎖
- 偏向鎖是Java 6之後加入的新鎖，它是一種針對加鎖操作的優化手段，經過研究發現，在大多數情況下，鎖不僅不存在多線程競爭，而且總是由同一線程多次獲得，因此爲了減少同一線程獲取鎖(會涉及到一些CAS操作,耗時)的代價而引入偏向鎖。
偏向鎖的核心思想是，如果一個線程獲得了鎖，那麼鎖就進入偏向模式，此時Mark Word 的結構也變爲偏向鎖結構，當這個線程再次請求鎖時，無需再做任何同步操作，即獲取鎖的過程，這樣就省去了大量有關鎖申請的操作，從而也就提供程序的性能。當一個線程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，以後該線程在進入和退出同步塊時不需要進行CAS操作來加鎖和解鎖，只需簡單地測試一下對象頭的Mark Word裏是否存儲着指向當前線程的偏向鎖。
2.輕量級鎖
倘若獲取偏向鎖失敗，虛擬機並不會立即升級爲重量級鎖，它還會嘗試使用一種稱爲輕量級鎖的優化手段(1.6之後加入的)，此時Mark Word 的結構也變爲輕量級鎖的結構。輕量級鎖能夠提升程序性能的依據是“對絕大部分的鎖，在整個同步週期內都不存在競爭”，注意這是經驗數據。需要了解的是，輕量級鎖所適應的場景是線程交替執行同步塊的場合，如果存在同一時間訪問同一鎖的場合，就會導致輕量級鎖膨脹爲重量級鎖。
3.自旋鎖
自旋鎖不是一種鎖，是一種狀態
- 定義：讓該線程執行一段無意義的忙循環（自旋）等待一段時間，不會被立即掛起（自旋不放棄處理器額執行時間），看持有鎖的線程是否會很快釋放鎖。自旋鎖在JDK 1.4.2中引入，默認關閉，但是可以使用-XX:+UseSpinning開開啓；在JDK1.6中默認開啓。
- 自旋等待不能替代阻塞，雖然它可以避免線程切換帶來的開銷，但是它佔用了處理器的時間。如果持有鎖的線程很快就釋放了鎖，那麼自旋的效率就非常好；反之，自旋的線程就會白白消耗掉處理器的資源，它不會做任何有意義的工作，這樣反而會帶來性能上的浪費。所以說，自旋等待的時間（自旋的次數）必須要有一個限度，例如讓其循環10次，如果自旋超過了定義的時間仍然沒有獲取到鎖，則應該被掛起（進入阻塞狀態）。
4.重量級鎖
- 重量級鎖基於Monitor實現，成本高。也就是synchronized在jdk1.6之前的實現。
如果存在同一時間訪問同一鎖的情況，就會導致輕量級鎖膨脹爲重量級鎖。Mark Word的鎖標記位更新爲10，Mark Word指向互斥量（重量級鎖）
Synchronized的重量級鎖是通過對象內部的一個叫做監視器鎖（monitor）實現，監視器鎖本質又是依賴於底層的操作系統的Mutex Lock（互斥鎖）來實現的。而操作系統實現線程之間的切換需要從用戶態轉換到核心態，這個成本非常高，狀態之間的轉換需要相對比較長的時間，這就是爲什麼Synchronized在jdk1.6之前效率低的原因，不被推薦的原因，但是在jdk1.6之後，推薦優先使用，畢竟使用ReentrantLock還需主動加鎖，關鎖操作。
三.鎖的升級過程
JVM一般是這樣使用鎖和Mark Word的：
- 當沒有被當成鎖時，這就是一個普通的對象，Mark Word記錄對象的HashCode，鎖標誌位01，是否偏向鎖那一位是0。
- 當對象被當做同步鎖並有一個線程A搶到了鎖時，鎖標誌位還是01，但是否偏向鎖那一位改成1，前23bit記錄搶到鎖的線程id，表示進入偏向鎖狀態。
- 當線程A再次試圖來獲得鎖時，JVM發現同步鎖對象的標誌位是01，是否偏向鎖是1，也就是偏向狀態，Mark Word中記錄的線程id就是線程A自己的id，表示線程A已經獲得了這個偏向鎖，可以執行同步鎖的代碼。
- 當線程B試圖獲得這個鎖時，JVM發現同步鎖處於偏向狀態，但是Mark Word中的線程id記錄的不是B，那麼線程B會先用CAS操作試圖獲得鎖，這裏的獲得鎖操作是有可能成功的，因爲線程A一般不會自動釋放偏向鎖。如果搶鎖成功，就把Mark Word裏的線程id改爲線程B的id，代表線程B獲得了這個偏向鎖，可以執行同步鎖代碼。如果搶鎖失敗，則繼續執行步驟5
- 偏向鎖狀態搶鎖失敗，代表當前鎖有一定的競爭，偏向鎖將升級爲輕量級鎖。JVM會在當前線程的線程棧中開闢一塊單獨的空間，裏面保存指向對象鎖Mark Word的指針，同時在對象鎖Mark Word中保存指向這片空間的指針。上述兩個保存操作都是CAS操作，如果保存成功，代表線程搶到了同步鎖，就把Mark Word中的鎖標誌位改成00，可以執行同步鎖代碼。如果保存失敗，表示搶鎖失敗，競爭太激烈，繼續執行步驟6
- 輕量級鎖搶鎖失敗，JVM會使用自旋鎖，自旋鎖不是一個鎖狀態，只是代表不斷的重試，嘗試搶鎖。從JDK1.7開始，自旋鎖默認啓用，自旋次數由JVM決定。如果搶鎖成功則執行同步鎖代碼，如果失敗則繼續執行步驟7。
- 自旋鎖重試之後如果搶鎖依然失敗，同步鎖會升級至重量級鎖，鎖標誌位改爲10。在這個狀態下，未搶到鎖的線程都會被阻塞。
四.鎖的優點缺點對比
