簡單理解重量級鎖、輕量級鎖、偏向鎖

全文使用synchronized來說明。
synchronized給對象上鎖，先上偏向鎖，在上輕量級鎖，最後上重量級鎖。上什麼鎖，是gvm根據競爭程度自行變換的。

重量級鎖

計算機操作系統本有Monitor對象，稱爲管程。在java裏面看不到此對象。
每個Java對象都可以關聯一個monitor對象，如果使用了synchronized給對象上重量級鎖後，該對象的Mark word就被設置指向monitor對象的指針。

Monitor對象結構

• WaitSet:是線程等待隊列。狀態爲WAITING
• EntryList:線程阻塞隊列.狀態爲BLOCKED
• Owner:正在執行的線程（可能很多線程競爭一個資源，但只有一個線程能夠成功，此時Owner就置爲此線程）

原理

1. 新建的對象，此時Mark Word關聯一個Monitor對象（即Mark Word記錄一個monitor對象的地址）。此時Monitor對象裏面的Owner爲null.
   因爲還沒有線程去獲得Monitor鎖。
   
2. 多個線程競爭，只有線程1成功。其他進入阻塞隊列。（或者說，只要owner非空，那麼其他線程就要進入阻塞隊列）
   當線程1執行完畢後，通知阻塞隊列裏的線程，引起它們的非公平性競爭。
   
3. 若此時Owner線程調用wait方法，那麼會進入WaitSet。
   當被喚醒時（如調用notify()）會進入EntryList重新競爭。

輕量級鎖

如果一個對象雖然有多線程訪問，但多線程訪問的時間是錯開的（或者說沒有競爭）的話，可以使用輕量級鎖來優化。
當有競爭時，會發生鎖膨脹，變爲重量級鎖，

java 對象頭

以32爲虛擬機爲例
普通對象是：

• Klass Word:是一個指針，通過他可以知道是個啥類對象
• Mark Word:
  
  如 Normal ，即沒有上鎖，末尾兩位是01；輕量級鎖是00
  下面用Hashcode age Bias 01 代替最初的Mark Word

原理

每個線程的棧幀都會包含一個鎖記錄的結構，內部可以保存鎖對象的Mark Word

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• 當線程執行到臨界區代碼時，對obj上鎖。讓鎖記錄中的Object reference 指向鎖對象，並嘗試用cas替換Object的Mark Word,將 Mark Word的值存入鎖記錄。

  • cas替換成功：那麼Object對象就會存儲鎖記錄狀態00和地址 ，表示由該線程給對象加鎖。 當Mark Word末尾是01時，纔可以替換成功
    

  • cas替換失敗

    • case 1：其他線程已經持有了改Object的輕量級鎖，表明有競爭，進入鎖膨脹過程
    • case 2：自己執行synchronized鎖重入，再添加一條Lock Record作爲重入的計數
      
      此時進行cas操作自然會失敗。
      最後再講鎖膨脹。

  • 解鎖

    • 當Lock Record 記錄裏面存在null,說明存在重進入，這時重置鎖記錄，表示重進入計數減一
    • 鎖記錄不爲空,這時用cas操作把鎖記錄裏面保存的Mark Word替換給對象頭
      • 成功則解鎖成功
      • 失敗說明進行了鎖膨脹或已經升級爲重量級鎖，進入重量級鎖的解鎖流程。

鎖膨脹

在嘗試加輕量級鎖的過程中，CAS操作無法成功，一個原因就是有其他線程爲此對象加上了輕量級鎖，這時需要進行鎖膨脹，將輕量級鎖變爲重量級鎖。
如線程1持有object的鎖，這時線程2也想要，但進行cas操作失敗，這時候會發生：

• 爲object對象申請Monitor鎖，讓object指向重量級鎖地址（此時後兩位爲10，即重量級鎖）
• 然後線程1進入Monitor的EntryList阻塞
  
  當線程1執行完後，想要退出臨界區，使用cas將Mark Word的值替換給對象頭，但是會失敗。因爲object的Mark Word後兩位變爲10，已經不再是00了。
  這時按照Monitor地址找到monitor對象，設置Owner爲null，再喚醒線程2.

偏向鎖

如果只有一個線程，它多次重進入，那會多次建立空的鎖記錄，作爲鎖重入的計數。
因此，java 6中引入了偏向鎖來做進一步優化：只有第一次使用CAS將線程ID設置到對象的Mark Word，之後只要發現這個線程ID是自己的就表示沒有發生競爭，不用重新CAS。以後只要不發生競爭，這個對象就歸該線程所有。
當線程請求到鎖對象後，將鎖對象的狀態標誌位改爲01，即偏向模式。然後使用CAS操作將線程的ID記錄在鎖對象的Mark Word中。以後該線程可以直接進入同步塊，連CAS操作都不需要。但是，一旦有第二條線程需要競爭鎖，那麼偏向模式立即結束，進入輕量級鎖的狀態。