synchronized加锁流程 从偏向锁到重量级锁

1. 加锁流程图
   

2. 对象头介绍
   Java对象的内存布局分为三个部分：对象头、实例数据和对其填充。其中对象头又分为两部分使用64bits：用于存储对象自身运行时的数据——Mark Word（32bits）和类型指针，即指向它的类型元数据的指针——Klass Word（32bits）。使用synchronized进行对象锁的同步控制需要用到对象头中的Mark Word，从偏向锁膨胀到重量级锁的过程中，每一步都涉及了Mark Word的改变。初始（没有成为锁的时候）Mark Word会使用25bits记录hashcode（实际生成hashcode是在Object::hashCode()），使用4bits记录分代年龄，使用1bit记录偏向锁标志（初始为0）和2bits记录锁标志。

3. Monitor
   Monitor是在使用对象锁的时候，Java虚拟机为对象生成的，在Java代码层面不可见，也无法直接操作。并且只有锁膨胀到重量级锁的时候才会使用到。

4. 锁膨胀过程
   1、偏向锁：Java默认是开启偏向锁的，偏向锁的存在意义是：如果只有一个线程会使用到该锁，那么就不需要频繁修改Mark Word和使用Monitor对象了，提升了同步的效率。当初次使用对象锁的时候，对象锁的MarkWord会将原本记录hashcode的位置变为记录持锁线程（23bits）和epoch（2bits，在批量重定向和批量撤销的时候使用）。
   
   2、轻量级锁：当有线程想获取已经被别的线程持有偏向锁时（此时没有竞争，是交错使用的，如果不是交错使用，而是竞争使用的话会膨胀为重量级锁），该锁对象将会从偏向锁膨胀为轻量级锁。升级为轻量级锁的锁对象的MarkWord会再一次被改变，原先的Mark Work记录的分代年龄、偏向锁标志、偏向锁占用的25bit都会被清空，变为持锁线程的锁记录（lock record）地址。lock record是在线程加锁的时候生成的，该对象记录了自身地址+00（轻量级锁标记）和锁对象的引用。
   
       2.1、初次持有轻量级锁：线程生成的Lock Record对象会尝试将自己的地址+00跟对象锁的Mark Word进行交换，如果交换成功，将Lock Record的锁对象引用指向对象锁，此时初次加锁成功。如果交换失败并且对象锁的持有线程不为自身的话，会进入重量级锁膨胀的过程。这里的交换都是CAS
       2.2、轻量级锁重入：已经持有对象锁的线程想要再次获取同一个锁对象，线程栈中会再生成一个Lock Record对象，该对象同样会尝试和对象锁中的Mark Word进行CAS交换，此次交换肯定会失败，然后会检测对象锁的持有线程，持有线程如果是自身的话，那么Lock Record的锁对象引用会指向对象锁，Lock Record对象继续保存，成为重入计数。
   3、重量级锁：当轻量级锁产生竞争时（同时出现多个线程争夺一个对象锁），轻量级锁将会膨胀为重量级锁。过程如下：
       3.1、尝试添加轻量级锁时，和Mark Word 进行CAS交换时失败了，同时当前线程不是持锁线程。那么将会为对象锁申请Monitor锁，同时对象锁的Mark Word会指向该Monitor对象。同时Monitor对象会将其Owner设置为原持锁线程，并且将加锁失败的线程放入Monitor的EntryList。
   
   
       3.2持有轻量级锁的线程在轻量级锁膨胀为重量级锁之后的解锁过程：轻量级锁持有者代码执行完毕，将锁记录通过cas与锁对象的Mark Word进行交换的时候，监测到锁对象过的Mark Word的锁状态不为00（即轻量级锁）时，cas失败，此时进入重量级锁解锁过程。即按照Mark Word中存储的Monitor对象的地址，寻找到Monitor对象过，设置Monitor对象的Owner为null，并唤醒EntryList中的BLOCKED的线程。

5. 重量级锁加锁流程
   1、尝试获取重量级锁的众多线程中某一个幸运儿会夺取到重量级锁，该线程在后面称为持锁线程。锁竞争成功后，Monitor对象中的Owner会指向持锁线程，持锁线程运行同步代码。而其未竞争成功的线程将会进行一段时间的自旋操作，该操作是JVM对锁竞争的优化，自旋操作不断尝试获取对象锁，如果在这段时间内，持锁线程完成同步代码快，释放了锁，那么自旋中的某个线程将会获取该锁，从而避免进入BLOCKED状态，避免了自身的线程上下文切换（该操作在单核cpu下没有优化效果）。如果自旋的过程中还是没法竞争到锁的话，那么这些线程将会进入EntryList中等待锁，线程状态变为BLOCKED。
   2、当持锁线程执行完同步代码，会将Monitor对象的Owner置为null，同时唤醒那些在EntryList中的阻塞线程，开始重新竞争锁。
   3、持锁线程可能还因为调用了LockSupport.park()、thread.join、wait等方法进入WaitSet中，线程状态变为WAITING/TIMED_WAITING，此时也会将Owner置null，然后唤醒EntryList中的线程，重新竞争锁。