synchronized和锁的多种状态

一、对象头

每个实例对象都有自己对应的对象头；

对象头包含Mark word（32位） 和 Klass word（32位）两部分，Klass word是一个指针，指向对象从属的Class对象；数组对象的话，还有一个用于表示数组长度的部分，占用32位也就是4个byte。

对象头结构：

一般分为普通对象和数组对象

Mark word的结构：前25位表示hashcode，再后面4位表示分代年龄，再下面一位biased_lock表示是否为偏向锁，再后面两位表示加锁状态；

Mark word在对象锁处于不同状态时，有不同的结构：

 锁记录 + 00表示轻量级锁；Monitor对象 + 10表示重量级锁；threadID + 01表示偏向锁，偏向锁状态时保存的时线程id；最上面的01表示无锁。

二、Monitor（监视器或管程）

1、每个java对象都可以关联一个Monitor对象，如果使用synchronized给对象lock上锁之后，lock的对象头中的Mark word就指向Monitor对象的地址。

2、Monitor对象内有三个重要属性：WaitSet，waiting状态线程队列（等待队列）；EntryList，blocked状态线程队列（阻塞队列）；Owner，拥有锁的线程对象指针，表示该线程占有该对象锁。

3、轻量级锁、重量级锁、偏向锁：

每个线程都包含一个锁记录结构，属于jvm层面的概念，内部存储锁定对象的MarkWord。

 object ref表示对象引用，指向锁定对象的地址。

代码执行到synchronized关键字时，首先在线程对象内创建锁记录，然后让锁记录中的obj ref指向锁对象，并尝试用cas替换Object的Mark word，将其保存到锁记录中；如果cas替换成功，锁记录中就保存了Object的Mark word，而且Object的Mark word被替换成了线程的锁记录的地址和状态；

 

锁重入：同一个线程对同一个Object再次加锁，线程对象内将会再创建一个锁记录，并且尝试cas操作，cas失败，所以锁记录为null，这时如图：

 

 第二个锁记录结构中锁记录地址为null。新的锁记录作为锁重入计数存在。

轻量级锁解锁：退出synchronized代码块时，如果有取值为null的锁记录，表示有重入，需要重置锁记录，这个lock record就去除了，重入计数也减一，一直到只剩第一次加锁的锁记录；如果锁记录的值不为null，就会进行cas将Mark word的值恢复给锁定对象，如果cas失败，表示轻量级锁已经升级为重量级锁，将会进入重量级锁解锁流程。

锁膨胀和重量级锁： 当一个线程thread0已经给对象上了轻量级锁时，这时另一个线程thread1也尝试给这个对象加锁，cas失败，然后进入锁膨胀流程，就是thread1线程为Object对象申请一个Monitor锁，让Object的Mark word指向这个Monitor重量级锁地址，然后thread1线程自己进入Monitor的EntryList阻塞队列进行阻塞。

重量级锁解锁过程：通过Object中Mark word保存的Monitor的地址，找到Monitor，将其Owner设为null，并将EntryList中阻塞线程唤醒。

自旋优化：重量级锁竞争时，第一次获取锁失败，然后线程进行自旋重试，多次尝试获取锁，如果获取成功，就不用进入阻塞队列，避免阻塞。注意：自旋本身就要占用cpu资源，需要在多核cpu情况下才有意义，否则单核cpu自旋就意味着要停下正在进行的其他任务，这样其实是资源浪费。java7以后，自旋不能用户自己开启，而是jvm本身的设置。偏向锁默认是开启的，设置关闭的jvm参数：-xx:-UseBiasedLocking  ，表示禁用。

自旋自适应：java6以后，自旋是自适应的，一次自旋成功后，下次另外的线程再来获取锁时自旋次数会更多，反之，一次自旋失败后，下次自旋重试的次数就会减少。

偏向锁：轻量级锁在没有其他线程竞争时，每次重入也需要进行cas操作，为了避免cas操作带来的性能消耗，java6中引入了偏向锁来进行优化；只要第一次使用cas操作将线程id设置到所对象的对象头中的Mark word中，之后锁重入时，判断如果是同一个线程，就不进行cas操作了。

偏向锁撤销：调用锁对象的hashcode方法会导致偏向锁撤销，因为hashcode占用字节数较多，偏向状态下的Mark  word空间不够，只能回复到normal无锁状态才能存储这个hashcode值；另外导致偏向锁撤销的情况就是，发生线程竞争锁，原来的偏向锁撤销，升级为轻量级锁；调用wait/notify也会将偏向撤销，这两个方法是重量级锁状态下的方法，所以调用方法时会将锁升级为重量级锁。

批量重偏向：当对某个类的对象偏向锁批量撤销20次，则偏向锁认为，后面的锁需要重新偏向新的线程（批量重偏向）。当达到阈值20次时，就发生重偏向，20次之后尝试锁竞争时，这个时候锁会重新偏向thread1线程。偏向锁撤销比较耗费性能，所以批量重偏向机制也是一种优化。

批量撤销：若同一个类的对象的偏向锁撤销次数达到阈值40次，之后这个类对象（不管是新建的还是已有的对象）的锁都是不可偏向的了，直接变成轻量级锁。

锁消除：jit即时编译器的优化机制，其会将编译后的字节码进行优化，如果发现synchronized代码块内没有发生多线程共享变量，就会消除synchronized。开关时jvm默认打开的，也可通过参数关闭：-xx:-EliminateLocks  。

偏向锁，轻量级锁及重量级锁升级过程：

偏向所锁，轻量级锁都是乐观锁，重量级锁是悲观锁。
一个对象刚开始实例化的时候，没有任何线程来访问它的时候。它是可偏向的，意味着，它现在认为只可能有一个线程来访问它，所以当第一个
线程来访问它的时候，它会偏向这个线程，此时，对象持有偏向锁。偏向第一个线程，这个线程在修改对象头成为偏向锁的时候使用CAS操作，并将
对象头中的ThreadID改成自己的ID，之后再次访问这个对象时，只需要对比ID，不需要再使用CAS在进行操作。
一旦有第二个线程访问这个对象，因为偏向锁不会主动释放，所以第二个线程可以看到对象时偏向状态，这时表明在这个对象上已经存在竞争了，检查原来持有该对象锁的线程是否依然存活，如果挂了，则可以将对象变为无锁状态，然后重新偏向新的线程，如果原来的线程依然存活，则马上执行那个线程的操作栈，检查该对象的使用情况，如果仍然需要持有偏向锁，则偏向锁升级为轻量级锁，（偏向锁就是这个时候升级为轻量级锁的）。如果不存在使用了，则可以将对象回复成无锁状态，然后重新偏向。
轻量级锁认为竞争存在，但是竞争的程度很轻，一般两个线程对于同一个锁的操作都会错开，或者说稍微等待一下（自旋），另一个线程就会释放锁。 但是当自旋超过一定的次数，或者一个线程在持有锁，一个在自旋，又有第三个来访时，轻量级锁膨胀为重量级锁，重量级锁使除了拥有锁的线程以外的线程都阻塞，防止CPU空转。