- ObjectMonitor
在HotSpot中，Monitor采用ObjectMonitor实现。
Monitor是一个同步工具，通常被描述为一个对象。每一个Java对象都拥有一把看不见的Monitor锁。
Java中每个对象都拥有的监视器用来监测并发代码的重入，在非多线程编码时Monitor监视器不起作用，在synchronized范围内，监视器发挥作用。
ObjectMonitor的结构
ObjectMonitor() {
_header = NULL;
_count = 0; //记录个数
_waiters = 0,
_recursions = 0;
_object = NULL;
//指向持有ObjectMonitor对象的线程
_owner = NULL;
//处于wait状态的线程，会被加入到_WaitSet
_WaitSet = NULL;
_WaitSetLock = 0 ;
_Responsible = NULL ;
_succ = NULL ;
_cxq = NULL ;
FreeNext = NULL ;
//处于等待锁block状态的线程，会被加入到该列表
_EntryList = NULL ;
_SpinFreq = 0 ;
_SpinClock = 0 ;
OwnerIsThread = 0 ;
}
2.synchronized实现原理
synchronized在软件层面依赖JVM虚拟机实现同步；JUC包中的Lock同步锁在硬件层面依赖特殊的CPU指令实现同步。
synchronized通过Monitor来实现线程同步，Monitor依赖于底层的操作系统的Mutex Lock(互斥锁)来实现的线程同步。
依赖底层操作系统的Mutex Lock所实现的锁称之为重量级锁。
同步代码块的同步原理
synchronized同步代码块代码生成的字节码指令中包含monitorenter和monitorexit指令。
monitorenter指令：执行该指令时可以尝试去获取对象的monitor锁。当获得monitor时就会处于锁定状态，就可以去执行同步代码块。
monitorexit指令：执行该指令会退出同步代码块并释放锁。执行该指令的线程是monitor的占有者。
异常退出同步代码块时会释放锁，也会调用该指令。
同步方法的同步原理
同步方法的字节码指令中没有monitorenter和monitorexit指令，是通过方法修饰符上的ACC_SYNCHRONIZED标识符来实现方法的同步。
同步方法是一种隐式的方式实现同步，不需要字节码指令来完成。
同步代码块中monitorenter和monitorexit指令的执行是JVM通过调用操作系统的互斥语句mutex实现的，被阻塞的线程会被挂起、等待重新调度，会导致在用户态和内核态切换。
- Java对象的对象头
在HotSpot虚拟机中，对象在内存中的存储的布局可以分为3块区域：对象头、实例数据、对齐填充。
Java对象头
对象头包括两部分信息：Mark Word和类型指针。
Mark Word是实现轻量级锁和偏向锁的关键。
类型指针：指向对象的类元数据的指针。
Mark Word：用于存储对象自身的运行时数据，是实现轻量级锁和偏向锁的关键。
包括哈希码、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳。
是一个非固定的数据结构用以方便在小的空间存储更多的信息。
会根据对象的状态复用自己的存储空间，就是说在运行期间Mark Work里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。
- Lock Record --锁记录
Lock Record(锁记录)：在线程的栈中创建，用来存储锁对象的Mark Word的拷贝。
是线程私有的数据结构，每一个线程都有一个可用的Lock Record列表。
每一个被锁住的对象都会和一个Lock Record关联，对象头中的Mark Word指向Lock Record的起始地址，。
LockRecord的结构如下图
Owner：当线程成功获得锁后存放线程的唯一标识。
EnterQ：关联一个互斥锁，阻塞所有竞争锁失败的线程。
RcThis：表示在该线程获得的锁上blocked或waiting的所有线程的个数。
Nest：重入锁的计数。
HashCode：保存从对象头拷贝过来的HashCode值(可能包含GC age)。
Candidate：只有两种值：0或1，表示没有需要唤醒的线程或表示要唤醒一个线程去竞争锁。
- 对synchronized实现机制进行的锁优化
依赖操作系统Mutex Lock所实现的重量级锁在线程切换时会导致在用户态和内核态之间切换，会导致很大的开销。
JDK6之后，引入了偏向锁和轻量级锁来减少锁操作的开销。
目前锁一共有4种状态，级别从低到高依次为：无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁；锁状态只能升级不能降级。
偏向锁、轻量级锁属于乐观锁，重量级锁属于悲观锁。乐观锁CAS的实现同步，获取不到时会转换为悲观锁。
无锁
没有对资源进行锁定，所有线程都可以访问并修改同一个资源，但只有一个线程可以修改成功。
特点：修改操作在循环中进行。
CAS原理及应用即是无锁的实现。
偏向锁
偏向于第一个访问锁的线程，如果在运行过程中，锁没有被其他线程访问，持有偏向锁的线程永远不会触发同步。
偏向锁就是为了解决在不存在多线程竞争时，锁总是由同一个线程多次获得的情况。目的是在只有一个线程执行同步代码块时可以提高性能。
加锁过程：
a.加锁发生在锁第一次被线程拥有时，会使用CAS原子操作尝试更新对象的Mark Word，将Mark Word中的偏向锁标志位改为1，并记录偏向线程的ID。
之后在对象头中的偏向线程ID指向的线程进入和退出相同锁对象的同步代码块时不用通过CAS操作来更新对象头。
撤销和膨胀过程：
b.另一个竞争线程想要进入同步代码块时，访问到Mark Word中偏向锁标志为1，确认是可偏向状态；同时检查到对象头中的偏向线程ID与该竞争线程不一致，竞争线程尝试进行CAS操作更新对象头。
c.竞争线程更新对象头失败时，等待持有偏向锁线程进入安全点(会导致STW)并暂停持有偏向锁的线程，根据偏向锁线程是否处于同步代码块，处于同步代码块时将偏向锁升级为轻量级锁；已经退出同步代码块时，将锁置为无锁状态。
d.竞争线程更新对象头成功时，直接进入同步代码块。
偏向锁加锁撤销锁流程图：
适合在无锁竞争情况下使用，撤销偏向锁时会导致stop the world。
问题：为什么在到达全局安全点时才会进行偏向锁的释放？
与Epoch有关。
轻量级锁
轻量级锁是为了在线程交替执行同步代码块时提高性能，偏向锁是在只有一个线程执行同步块时提高性能。
轻量级锁与偏向锁的不同：轻量级锁每次退出同步代码块都要释放锁，偏向锁只有在竞争发生时才会释放锁。
加锁过程：
a.线程进入同步代码块时确定对象锁状态：即对象锁状态是无锁状态：对象头中Mark Word中的锁标志位为：“01”状态，偏向锁标志位为：“0”。
b.确定对象锁的对象头为无锁状态后，在当前线程的栈帧中创建锁记录(Lock Record)空间，将锁对象对象头中的Mark Word复制到锁记录中。
c.Mark Word保存到锁记录成功后，使用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针并将Lock Record锁记录里的owner指向对象的Mark Word。
CAS操作成功了：线程就拥有了对象的锁可以去执行同步代码块，并会将对象的锁标志设置为：“00”，即为轻量级锁。
CAS操作失败了：先检查对象头Mark Word的指针有没有指向当前线程的锁记录Lock Record，指向了说明当前线程已经获得了锁，本次加锁是重入锁，当前线程可以直接进入同步块继续执行；否则线程会进入自旋状态，不断尝试去获取锁。
- 轻量级锁每次进入与退出同步块时都要通过CAS操作更新对象头。
锁释放过程：
d.线程退出同步代码块并释放锁是通过CAS操作来完成的，会用CAS操作将对象头中的Mark Word中记录的锁对象的指针替换为锁记录中复制的Mark Word。
CAS操作成功：同步操作完成，对象头设置为无锁状态(偏向锁为：“0”，锁标志位为：“01”)。
CAS操作失败：此时持有轻量级锁的线程会将锁释放，唤醒阻塞的线程。
CAS操作失败的原因：是因为没有得到锁的线程在超过了自旋次数还没有获得锁，进入阻塞状态，并将对象头的锁标志更改为：“10”(重量级锁)，Mark Word中存储的是指向指向重量级锁的指针(互斥量)。
获得和释放轻量级锁的过程图如下：
问题1：为什么在升级为轻量级锁时要把对象头里的Mark Word复制到线程栈的锁记录中？
在获得锁时：会将Mark Word值作为CAS比较的条件(CAS操作的三个值中的当前值)。只有锁记录复制的Mark Word值与对象锁的对象头中的Mark Word相等时，才会将对象头中的Mark Word中的内容替换为指向锁记录的指针，才可以获得锁。
在释放锁时：通过该Mark Word可以判定是否在持有锁的过程中该对象锁被其他线程申请过，如果被申请过，则在释放锁的过程中唤醒被挂起的线程。
问题2：为什么会尝试CAS不成功以及什么情况下会不成功？
重量级锁
如果在存在同一时间访问同一锁，就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。
对象锁升级为重量级锁时，锁标志的状态值变为"10"，Mark Word中存储的是指向重量级锁的指针(指针指向的是Monitor对象的起始地址)，此时等待锁的线程都会进入阻塞状态。
重量级锁通过对象内部的monitor监视器锁来实现。监视器锁是依赖于底层操作系统的Mutex Lock(互斥锁)来实现。
总结：偏向锁是通过对比Mark Word解决加锁问题，避免多次执行CAS操作；轻量级锁通过CAS操作和自旋解决加锁问题，避免线程阻塞和唤醒而影响性能；重量级锁是将除了拥有锁的线程以外的线程都阻塞。
- 对synchronized实现机制进行的其他调整
锁消除
在进行同步控制时，JVM检测到不可能存在共享数据竞争，JVM就会对同步锁进行锁清除。
锁清除的依据是：逃逸分析的数据支持。
锁粗化
将多个连续的加锁、解锁操作连接在一起，扩展成一个范围更大的锁。
