Java并发——Synchronized关键字和锁升级，详细分析偏向锁和轻量级锁的升级

一、Synchronized实现原理
1、Synchronized锁的3中形式：
Synchronized修饰普通同步方法：锁对象当前实例对象；
Synchronized修饰静态同步方法：锁对象是当前的类Class对象；
Synchronized修饰同步代码块：锁对象是Synchronized后面括号里配置的对象；

2、Synchronized在JVM里的实现
那么Synchronized在JVM里是怎么实现的呢？
在JVM规范里可以看到Synchronized锁时基于进入和退出monitor对象来实现方法同步和代码块同步，这两种同步的具体实现细节不太一样，但是都可以这么理解：不管是方法同步还是代码块同步都是通过monitor对象的monitorentry和monitorexit这两个指令实现的，在需要同步的代码块开始的位置插入monitorentry指令，在同步结束的位置或者异常出现的位置插入monitorexit指令；JVM要保证monitorentry和monitorexit都是成对出现的，任何对象都有一个monitor阈值对应，当这个对象的monitor被持有以后，它将处于锁定状态。

3、Java对象头
那么Synchronized锁对象是存在哪里的呢？答案是存在锁对象的对象头中，称为MarkWord。如果对象是数组对象，那么MarkWord占用3个字宽（Word），如果对象是非数组对象，那么MarkWord占用2个字宽。（1word = 2 Byte = 16 bit）
那么MarkWord在对象头中到底长什么样，也就是它到底存储了什么呢？

在32位的虚拟机中：


在64位的虚拟机中：


二、锁升级
1、锁的4中状态：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态、重量级锁状态（级别从低到高）
2、偏向锁：

为什么要引入偏向锁？
因为经过HotSpot的作者大量的研究发现，大多数时候是不存在锁竞争的，常常是一个线程多次获得同一个锁，因此如果每次都要竞争锁会增大很多没有必要付出的代价，为了降低获取锁的代价，才引入的偏向锁。

偏向锁的升级
当线程1访问代码块并获取锁对象时，会在java对象头和栈帧中记录偏向的锁的threadID，因为偏向锁不会主动释放锁，因此以后线程1再次获取锁的时候，需要比较当前线程的threadID和Java对象头中的threadID是否一致，如果一致（还是线程1获取锁对象），则无需使用CAS来加锁、解锁；如果不一致（其他线程，如线程2要竞争锁对象，而偏向锁不会主动释放因此还是存储的线程1的threadID），那么需要查看Java对象头中记录的线程1是否存活，如果没有存活，那么锁对象被重置为无锁状态，其它线程（线程2）可以竞争将其设置为偏向锁；如果存活，那么立刻查找该线程（线程1）的栈帧信息，如果还是需要继续持有这个锁对象，那么暂停当前线程1，撤销偏向锁，升级为轻量级锁，如果线程1 不再使用该锁对象，那么将锁对象状态设为无锁状态，重新偏向新的线程。
偏向锁的取消：
偏向锁是默认开启的，而且开始时间一般是比应用程序启动慢几秒，如果不想有这个延迟，那么可以使用-XX:BiasedLockingStartUpDelay=0；
如果不想要偏向锁，那么可以通过-XX:-UseBiasedLocking = false来设置；

3、轻量级锁
为什么要引入轻量级锁？
轻量级锁考虑的是竞争锁对象的线程不多，而且线程持有锁的时间也不长的情景。因为阻塞线程需要CPU从用户态转到内核态，代价较大，如果刚刚阻塞不久这个锁就被释放了，那这个代价就有点得不偿失了，因此这个时候就干脆不阻塞这个线程，让它自旋这等待锁释放。

轻量级锁什么时候升级为重量级锁？
线程1获取轻量级锁时会先把锁对象的对象头MarkWord复制一份到线程1的栈帧中创建的用于存储锁记录的空间（称为DisplacedMarkWord），然后使用CAS把对象头中的内容替换为线程1的锁记录地址；
如果在线程1复制对象头的同时（在线程1CAS之前），线程2也准备获取锁，复制了对象头到线程2的锁记录空间中，但是在线程2CAS的时候，发现线程1已经把对象头换了，线程2的CAS失败，那么线程2就尝试使用自旋锁来等待线程1释放锁。
但是如果自旋的时间太长也不行，因为自旋是要消耗CPU的，因此自旋的次数是有限制的，比如10次或者100次，如果自旋次数到了线程1还没有释放锁，或者线程1还在执行，线程2还在自旋等待，这时又有一个线程3过来竞争这个锁对象，那么这个时候轻量级锁就会膨胀为重量级锁。重量级锁把除了拥有锁的线程都阻塞，防止CPU空转。

*注意：为了避免无用的自旋，轻量级锁一旦膨胀为重量级锁就不会再降级为轻量级锁了；偏向锁升级为轻量级锁也不能再降级为偏向锁。一句话就是锁可以升级不可以降级，但是偏向锁状态可以被重置为无锁状态。

4、这几种锁的优缺点（偏向锁、轻量级锁、重量级锁）