1. java对象头
Java 对象头是 JVM 为每个对象在内存中分配的额外数据结构，存储了与对象相关的元信息。它位于对象内存布局的起始部分，是 JVM 管理对象的关键数据结构之一。 对象头主要由三类组成，第一类是Mark Word，它是 Java 对象头的动态部分，用于存储对象的运行时状态信息，根据锁的状态会发生变化。第二类是Class Pointer，它是一个指针，指向该对象的类元数据，JVM 通过它可以确定对象所属的类，包括对象对应的类的类型信息（如方法表、字段表等）。第三类只有对象为数组时才会存在，用来存储数组长度。三类中，我们重点关注第一类Mark Work，是理解java锁的核心。
| 锁状态 | 1bit：是否偏向 | 2bit：锁标志位 | ||
|---|---|---|---|---|
| 无锁 | 25bit:hashcode | 4bit:分代年龄 | 0 | 01 |
| 偏向锁 | 23bit:线程id 2bit:时间戳 | 4bit:分代年龄 | 1 | 01 |
| 轻量级锁 | 29bit:指向栈中锁记录指针 | 无 | 无 | 00 |
| 重量级锁 | 29bit:指向重量级锁的指针 | 无 | 无 | 10 |
| GC标记 | 空 | 空 | 空 | 11 |
2.锁的升级与对比
偏向锁 (Biased Locking)
概念：
偏向锁是一种针对单线程访问场景的优化机制。它假设锁在大多数情况下是由同一线程访问的，因此避免了频繁加锁和解锁的操作。
适用场景：
单线程反复进入同步代码块。
实现原理：
• 锁的所有权会偏向第一个获得它的线程。
• 当这个线程再次进入同步代码块时，不需要进行加锁操作，只需检测 Mark Word 中记录的线程 ID 是否与当前线程匹配。
• 如果匹配，则不需要任何额外操作（类似于无锁）。
优点：
避免了 CAS 操作（Compare-And-Swap），性能较高。
撤销：
如果另一个线程尝试竞争该锁，偏向锁会被撤销，并升级为轻量级锁。
轻量级锁 (Lightweight Lock)
概念：
轻量级锁是一种针对短时间锁竞争的优化机制。通过 CAS 操作（而非阻塞）实现线程之间的锁竞争，避免了重量级锁带来的线程阻塞和上下文切换。
适用场景：
多线程交替短时间访问同步代码块，但线程之间的竞争不激烈。
实现原理：
• 在加锁时，JVM 会尝试将锁对象的 Mark Word 拷贝到当前线程的栈中（称为“锁记录”）。
• 然后通过 CAS 操作尝试将锁对象的 Mark Word 替换为指向锁记录的指针。
• 如果 CAS 成功，说明当前线程获得锁。
• 如果 CAS 失败，则表示有其他线程正在竞争，锁会升级为重量级锁。
优点：
线程不会阻塞，仅使用自旋等待，适用于锁竞争不激烈的场景。
缺点：
自旋需要占用 CPU，若竞争激烈会导致性能下降。
重量级锁 (Heavyweight Lock)
概念：
重量级锁是传统的锁机制，通过操作系统的互斥锁实现，线程阻塞和唤醒都需要操作系统的上下文切换。
适用场景：
多线程激烈竞争同步代码块。
实现原理：
• 当轻量级锁自旋失败时，锁会升级为重量级锁。
• 线程进入阻塞状态，等待其他线程释放锁。
• 使用操作系统的 Mutex（互斥锁）机制实现，阻塞线程会被挂起，等待唤醒。
优点：
避免了自旋造成的 CPU 资源浪费，适合高并发场景。
缺点：
线程阻塞和唤醒需要切换到内核态，性能较低。
3. 总结
锁的状态会随着并发竞争情况升级，且锁只能升级不能降级。
锁的状态流转
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无锁（对象初始状态）。
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偏向锁：单线程访问时，进入偏向状态。
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轻量级锁：多线程访问发生竞争时，偏向锁撤销并升级为轻量级锁。
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重量级锁：如果轻量级锁竞争过于激烈，升级为重量级锁。
| 锁类型 | 适用场景 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|
| 偏向锁 | 单线程访问 | 减少加锁和解锁的开销 | 需要撤销偏向锁，增加延迟 |
| 轻量级锁 | 竞争不激烈的多线程场景 | 无阻塞，自旋提高性能 | 自旋占用CPU |
| 重量级锁 | 激烈竞争的多线程场景 | 避免自旋浪费CPU | 线程阻塞，切换开销大 |
