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一、对象头
首先来看下 Java 对象结构。
对象中的几个部分的作用：
- 1、对象头中的 Mark word 主要用来表示对象的线程锁状态，另外还可以用来配合 GC、存放该对象的 hashCode
- 2、Klass Word 是一个指向方法区中 Class 信息的指针，意味着该对象可随时知道自己是哪个 class 的实例。
- 3、对象体是对象的成员属性
Synchronized 用的锁是存在Java对象里的，那么什么是Java 对象头呢？HotSpot虚拟机的对象头主要包括两部分数据：Mark Work（标记字段）和Klass Pointer（类型指针），虚拟机通过这个类型指针判断这个对象是哪个类的实例，Mark word默认存储对象的HashCode等运行时数据。
Java 对象处于 5 种不同状态时，Mark Word 中 64 个位的表现形式，上面每一行对象处于某种状态的 lock 标记如下
biased_lock lock 状态
0 01 无锁
1 01 偏向锁
00 轻量级锁
10 重量级锁
11 GC标记
二、轻量级锁
轻量级锁的使用场景是：如果一个对象虽然有多个线程要对它进行加锁，但是加锁的时间是错开的（也就是没有人可以竞争的），那么可以使用轻量级锁来进行优化。轻量级锁对使用者是透明的，即语法仍然是 synchronized ，假设有两个方法同步块，利用同一个对象加锁。
下面通过这个例子来说明下轻量级锁的加锁原理。
static final Object obj = new Object();
public static void method1() {
synchronized( obj ) {
// 同步块 A
method2();
}
}
public static void method2() {
synchronized( obj ) {
// 同步块 B
}
}
1、每次指向到 synchronized 代码块时，先会在栈帧中创建 锁记录（Lock Record）对象，每个线程都会包括一个锁记录的结构，锁记录内部可以储存对象的 Mark Word 和对象引用 reference
2、让锁记录中的 Object reference 指向对象，并且尝试用 cas(compare and sweep) 替换 Object 对象的 Mark Word ，将 Mark Word 的值存入锁记录中。一开始 的01 是无锁状态，然后把 lock Record 的 lock 状态 00 （轻量锁）与 Object 对象的 01（正常）进行 CAS 替换（CAS 是原子性操作）。
3、如果 cas 替换成功，那么对象的对象头储存的就是锁记录的地址和状态 00 表示轻量级锁，这个对象就知道是哪个线程锁住我了，如下所示
4、如果cas失败，有两种情况
-
如果是其它线程已经持有了该 Object 的轻量级锁，那么表示有竞争，首先会进行自旋锁，自旋一定次数后，如果还是失败就进入锁膨胀阶段。
-
如果是自己的线程已经执行了 synchronized 进行加锁，那么再添加一条 Lock Record 作为重入的计数。只不过它在存储数据的时候会存放一个 null，代表加同个对象加锁的个数
5、解锁1： 当线程退出 synchronized 代码块的时候，如果获取的是取值为 null 的锁记录，表示有重入，这时重置锁记录，表示重入计数减一
6、解锁2： 当线程退出 synchronized 代码块的时候，如果获取的锁记录取值不为 null，那么使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象头
- 成功则解锁成功，对象头状态变为00
- 失败，则说明轻量级锁进行了锁膨胀或已经升级为重量级锁，进入重量级锁解锁流程
三、 锁膨胀
前面说了，在加锁的时候发现其他线程对该对象加上了轻量级锁，这时CAS 操作失败，需要进行锁膨胀，将轻量级变为重量级锁。
1、当 Thread-1 进行轻量级加锁时，Thread-0 已经对该对象加了轻量级锁，此时加锁失败。
2、这时 Thread-1 加轻量级锁失败，进入锁膨胀流程，
- 既为 Object 对象申请 Monitor 锁，让 Object 指向重量级锁地址。
- 然后Thread-1自己进入 Monitor 的 EntryList Blocked 中阻塞。
3、当 Thread-0 退出同步块解锁时，使用 CAS 将 Mark Word 的值恢复给 对象头，因为 Object 指向的是 Monitor ，就会失败，所以会进入重量级解锁流程，即按照 Monitor 地址找到 Monitor 对象，设置 Owner 为null，唤醒 EntryList 中 BLOCKED 线程，Thread-1 此时就参与重量级锁的竞争。
四、 自旋优化
重量级锁竞争时，还可以使用自旋来进行优化，就是让阻塞的线程循环查看几次，等待一段次数后再进入阻塞，如果当前线程自旋成功（即这时候锁线程已经退出了同步块，释放了锁），这时当前线程就可以避免阻塞。
- 在Java 6 之后 自旋锁是自适应的，比如对象刚刚的一次自旋操作成功过，那么认为这次自旋成功的可能性会高，就会自旋几次；反之，就会少自旋甚至不自旋。
- java 7 之后不能控制是否开启自旋功能。
五、 偏向锁
轻量级锁在没有竞争时（就自己这个线程），每次重入仍然需要执行 CAS 操作。
Java 6 中引入了偏向锁来做进一步优化：只有第一次使用 CAS 将线程 ID 设置到对象的 Mark Word 头，之后发现这个线程ID 是自己的就表示没有竞争，不用重新 CAS，以后只要不发生竞争，这个对象就归该线程所有。
5.1 偏向锁获取
“偏向”的意思是假定将来只有第一个申请锁的线程会使用锁（不会有任何线程来申请锁）。当一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头和栈帧中的锁记录里存储偏向的线程ID，以后再进入退出的时候，直接把当前线程ID和Mark word的存储的线程id进行比较。一致就进入。如果Mark word的偏向锁的标识设置为1（当前是偏向锁），还是不死心，则尝试使用CAS去将Mark Word记录的线程id替换为自己的当前id。如果为0的话，表示当前无锁，用CAS去竞争锁。
5.2 偏向锁撤销
偏向锁使用了一种等待竞争出现才会释放锁的机制，所以当其他线程尝试竞争偏向锁的时候，持有偏向锁的线程才会释放锁。
1、偏向锁的撤销，需要等待全局安全点（在这个时间点上没有正在执行的字节码）
2、暂停持有偏向锁的线程，判断锁对象是否还处于被锁定状态。
3、要么恢复到无锁（01）要么恢复到轻量级锁的状态（00）
