一、Synchronized实现原理
1、Synchronized锁的3中形式
利用 synchronized 实现同步的基础：Java 中的每一个对象都可以作为锁。具体表现为以下3种形式。

对于普通同步方法，锁是当前实例对象。
对于静态同步方法，锁是当前类的 Class 对象。
对于同步方法块，锁是 Synchonized 括号里配置的对象。
2、Synchronized在JVM里的实现
从 JVM 规范中可以看到 Synchonized 在 JVM 里的实现原理，JVM 基于进入和退出 Monitor 对象来实现方法同步和代码块同步，但两者的实现细节不一样。代码块同步是使用 monitorenter 和 monitorexit 指令实现的，而方法同步是使用另外一种方式实现的，细节在 JVM 规范里并没有详细说明。但是，方法的同步同样可以使用这两个指令来实现。

monitorenter 指令是在编译后插入到同步代码块的开始位置，而 monitorexit 是插入到方法结束处和异常处，JVM 要保证每个 monitorenter 必须有对应的 monitorexit 与之配对。任何对象都有一个 monitor 与之关联，当且一个 monitor 被持有后，它将处于锁定状态。线程执行到 monitorenter 指令时，将会尝试获取对象所对应的 monitor 的所有权，即尝试获得对象的锁。

3、Java对象头
synchronized 用的锁是存在 Java 对象头里的。如果对象是数组类型，则虚拟机用3个字宽（Word）存储对象头，如果对象是非数组类型，则用2字宽存储对象头。在32位虚拟机中，1字宽等于4字节，即 32bit，如表1所示。

表1　Java 对象头的长度

Java 对象头里的 Mark Word 里默认存储对象的 HashCode、分代年龄和锁标记位。32位 JVM 的 Mark Word 的默认存储结构如表2所示。

表2　Java 对象头的存储结构

在运行期间，Mark Word 里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。Mark Word 可能变化为存储以下4种数据，如表3所示。

表3　Mark Word 的状态变化

在64位虚拟机下，Mark Word 是 64bit 大小的，其存储结构如表2-5所示。

表4　Mark Word 的存储结构

二、锁升级
1、锁的4种状态
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？

HotSpot 的作者经过研究发现，大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，为了让线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁。

偏向锁的升级

当线程 1 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锁偏向的线程 ID，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线程 ID 和对象头中的线程 ID 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 的线程 ID），那么需要查看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。

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，让它自旋着等待锁释放。

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 Mark Word 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 Displaced Mark Word），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 1 CAS 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 2 CAS 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）

总结
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，并将对象头中的线程 ID 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。（偏向锁只进行一次 CAS 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是偏向状态，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，则可以将对象恢复成无锁状态，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。

作者：架构随笔
来源：CSDN
原文：https://blog.csdn.net/m631521383/article/details/87970244
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