通过Synchronized简单分析偏向锁、轻量级锁和重量级锁一、对象头和monitor 首先介绍一下Java对象在内存

一、对象头和monitor

首先介绍一下Java对象在内存中的存储结构只要有以下三个部分：

对象头
实例数据
填充数据

当创建一个对象时，对象的Markword 存储锁的相关信息，包括指向轻量级锁指针、指向重量级锁指针、偏向线程ID 等。 monitor是线程私有的数据结构，每一个线程都有一个可用monitor列表，同时还有一个全局的可用列表，先来看monitor的内部：

Owner：初始时为NULL表示当前没有任何线程拥有该monitor，当线程成功拥有该锁后保存线程唯一标识，当锁被释放时又设置为NULL；
EntryQ：关联一个系统互斥锁（semaphore），阻塞所有试图锁住monitor失败的线程。
RcThis：表示blocked或waiting在该monitor上的所有线程的个数。 Nest：用来实现重入锁的计数。
HashCode：保存从对象头拷贝过来的HashCode值（可能还包含GC age）。
Candidate：用来避免不必要的阻塞或等待线程唤醒，因为每一次只有一个线程能够成功拥有锁，如果每次前一个释放锁的线程唤醒所有正在阻塞或等待的线程，会引起不必要的上下文切换（从阻塞到就绪然后因为竞争锁失败又被阻塞）从而导致性能严重下降。
Candidate只有两种可能的值：0表示没有需要唤醒的线程，1表示要唤醒一个继任线程来竞争锁。

在 Java 虚拟机中，线程一旦进入到被Synchronized修饰的方法或代码块时，指定的锁对象通过某些操作将对象头中的LockWord指向 monitor 的起始地址与之关联，同时monitor 中的Owner存放拥有该锁的线程的唯一标识，确保一次只能有一个线程执行该部分的代码，线程在获取锁之前不允许执行该部分的代码。

二、偏向锁

当线程执行到临界区（critical section）时，此时会利用CAS(Compare and Swap)操作，将线程ID插入到Markword中，同时修改偏向锁的标志位。此时偏向锁标志位为1。

偏向锁是 jdk1.6 引入的一项锁优化，其中的“偏”是偏心的偏。它的意思就是说，这个锁会偏向于第一个获得它的线程，在接下来的执行过程中，假如该锁没有被其他线程所获取，没有其他线程来竞争该锁，那么持有偏向锁的线程将永远不需要进行同步操作。

也就是说：在此线程之后的执行过程中，如果再次进入或者退出同一段同步块代码，并不再需要去进行加锁或者解锁操作，而是会做以下的步骤：Load-and-test，也就是简单判断一下当前线程id是否与Markword当中的线程id是否一致。如果一致，则说明此线程已经成功获得了锁，继续执行下面的代码。如果不一致，则要检查一下对象是否还是可偏向，即“是否偏向锁”标志位的值。如果还未偏向，则利用CAS操作来竞争锁，也即是第一次获取锁时的操作。如果此对象已经偏向了，并且不是偏向自己，则说明存在了竞争。此时可能就要根据另外线程的情况，可能是重新偏向，也有可能是做偏向撤销，但大部分情况下就是升级成轻量级锁了。

即偏向锁是针对于一个线程而言的，线程获得锁之后就不会进行解锁操作，节省了很多开销。为什么要这样做呢？因为经验表明，其实大部分情况下，都会是同一个线程进入同一块同步代码块的。这也是为什么会有偏向锁出现的原因。在Jdk1.6中，偏向锁的开关是默认开启的，适用于只有一个线程访问同步块的场景。

下述代码中，当线程访问同步方法method1时，会在对象头（SynchronizedTest.class对象的对象头）和栈帧的锁记录中存储锁偏向的线程ID，下次该线程在进入method2，只需要判断对象头存储的线程ID是否为当前线程，而不需要进行CAS操作进行加锁和解锁（因为CAS原子指令虽然相对于重量级锁来说开销比较小但还是存在非常可观的本地延迟）。

public class SynchronizedTest {
    private static Object lock = new Object();
    public static void main(String[] args) {
        method1();
        method2();
    }
    synchronized static void method1() {}
    synchronized static void method2() {}
}

三、轻量级锁

当出现有两个线程来竞争锁的话，那么偏向锁就失效了，此时锁就会膨胀，升级为轻量级锁。锁撤销升级为轻量级锁之后，那么对象的Markword也会进行相应的的变化。

下面先简单描述下锁撤销之后，升级为轻量级锁的过程：

线程在自己的栈桢中创建锁记录 LockRecord。
将锁对象的对象头中的MarkWord复制到线程的刚刚创建的锁记录中。
将锁记录中的Owner指针指向锁对象。
将锁对象的对象头的MarkWord替换为指向锁记录的指针。

轻量级锁主要是自旋锁。所谓自旋，就是指当有另外一个线程来竞争锁时，这个线程会在原地循环等待，而不是把该线程阻塞，直到那个获得锁的线程释放锁之后，这个线程就可以马上获得锁的。

注意，锁在原地循环的时候，是会消耗cpu的，就相当于在执行一个啥也没有的for循环。所以，轻量级锁适用于那些同步代码块执行很快的场景，这样，线程原地等待很短很短的时间就能够获得锁了。

自旋锁有一些问题：

（1）如果同步代码块执行的很慢，需要消耗大量的时间，那么这个时侯，其他线程在原地等待空消耗cpu。

（2）本来一个线程把锁释放之后，当前线程是能够获得锁的，但是假如这个时候有好几个线程都在竞争这个锁的话，那么有可能当前线程会获取不到锁，还得原地等待继续空循环消耗cup，甚至有可能一直获取不到锁。

基于这个问题，我们必须给线程空循环设置一个次数，当线程超过了这个次数，我们就认为，继续使用自旋锁就不适合了，此时锁会再次膨胀，升级为重量级锁。

四、重量级锁

轻量级锁膨胀之后，就升级为重量级锁了。重量级锁是依赖对象内部的monitor锁来实现的，而monitor又依赖操作系统的MutexLock(互斥锁)来实现的，所以重量级锁也被成为互斥锁。

主要是，当系统检查到锁是重量级锁之后，会把等待想要获得锁的线程进行阻塞，被阻塞的线程不会消耗cpu。但是阻塞或者唤醒一个线程时，都需要操作系统来帮忙，这就需要从用户态转换到内核态，而转换状态是需要消耗很多时间的，有可能比用户执行代码的时间还要长。这就是说为什么重量级线程开销很大的。互斥锁(重量级锁)也称为阻塞同步、悲观锁。

因此可做个总结：

线程可以通过两种方式锁住一个对象：

通过膨胀一个处于无锁状态（状态位001）的对象获得该对象的锁；
对象处于膨胀状态（状态位00），但LockWord指向的monitor的Owner字段为NULL，则可以直接通过CAS原子指令尝试将Owner设置为自己的标识来获得锁。

获取锁（monitorenter）的大概过程：

对象处于无锁状态时（LockWord的值为hashCode等，状态位为001），线程首先从monitor列表中取得一个空闲的monitor，初始化Nest和Owner值为1和线程标识，一旦monitor准备好，通过CAS替换monitor起始地址到LockWord进行膨胀。如果存在其它线程竞争锁的情况而导致CAS失败，则回到monitorenter重新开始获取锁的过程即可。
对象已经膨胀，monitor中的Owner指向当前线程，这是重入锁的情况（reentrant），将Nest加1，不需要CAS操作，效率高。
对象已经膨胀，monitor中的Owner为NULL，此时多个线程通过CAS指令试图将Owner设置为自己的标识获得锁，竞争失败的线程则进入第4种情况。
对象已经膨胀，同时Owner指向别的线程，在调用操作系统的重量级的互斥锁之前自旋一定的次数，当达到一定的次数如果仍然没有获得锁，则开始准备进入阻塞状态，将rfThis值原子加1，由于在加1的过程中可能被其它线程破坏对象和monitor之间的联系，所以在加1后需要再进行一次比较确保lock word的值没有被改变，当发现被改变后则要重新进行monitorenter过程。同时再一次观察Owner是否为NULL，如果是则调用CAS参与竞争锁，锁竞争失败则进入到阻塞状态。

释放锁（monitorexit）的大概过程：

检查该对象是否处于膨胀状态并且该线程是这个锁的拥有者，如果发现不对则抛出异常。
检查Nest字段是否大于1，如果大于1则简单的将Nest减1并继续拥有锁，如果等于1，则进入到步骤3。
检查rfThis是否大于0，设置Owner为NULL然后唤醒一个正在阻塞或等待的线程再一次试图获取锁，如果等于0则进入到步骤4。
缩小（deflate）一个对象，通过将对象的LockWord置换回原来的HashCode等值来解除和monitor之间的关联来释放锁，同时将monitor放回到线程私有的可用monitor列表。