简谈Synchronized锁升级机制

1.对象头与锁

要想了解Synchronized锁机制，必须先了解对象头是怎么回事，不同锁状态下对象头又分别存储什么。我们都知道对象又三个部分组成：对象头、对象体、填充对象。对于对象体、填充对象我们这边暂时不讲，先讲讲对象头里面包含什么。对象头主要存储对象自身运行中的数据，比如说对象年龄、hashcode等，这部分成为mark word，它是实现锁的关键；另一部分存储指向方法区对象类型的指针，这部分称为kclass,如果是数组还要另外存在数组的大小的数值。
对象头考虑空间利用效率，mark word在不同状态下它的存储内容不一样，如图所示：

mark word内存分布

2.锁状态

Synchronized锁状态分为以下四个

• 无锁
• 偏向锁
• 轻量级锁

• 重量级锁
  锁的切换入下图所示：

  
  
  

  锁切换
  
  

  上图值得注意是锁状态是由是否偏向(1bit)+锁标志位(2bit)来确定的。

3.锁升级机制

3.1 无锁到偏向锁

一个方法块加了Synchronized初始状态就是无锁状态，这个时候有一个线程A执行同步快，它会检查对象锁mark word锁状态是无锁状态，然后通过cas去替换mark word，修改其中锁标志位，同时将偏向线程id设置为当前线程A。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；

3.2 偏向锁到偏向锁

偏向线程A获取锁之后不会主动修改对象头，即便线程已经消亡，对象头保存的信息也不会改变。如果这个时候有另一个线程B执行同步快，它就会将对象头锁状态修改为无锁状态，并且重复上面操作，锁状态就还会从无锁修改为偏向锁，两者表现出来的状态就是偏向锁到偏向锁。
同步如果线程A还未消亡，但是其栈帧中不需要持有这个锁对象，也可以完成偏向锁到偏向锁。

3.3 偏向锁到轻量级锁

3.2情况中如果线程B执行同步快发现线程A还未消亡，这个就会从偏向锁升级为轻量级锁，升级以后需要多次cas复制操作。在执行同步快之前会在当前线程栈帧中创建用于储存锁记录的空间（LockRecord）,并将对象头mark word信息复制到锁记录中，然后尝试cas将对象头的mark word替换为执行锁记录的指针，如果设置成功，则当前线程则获取了对象锁，锁状态也升级为轻量级锁。如果设置失败，说明这个时候还有另一个线程在获取对象锁，这个线程便会尝试自旋获取锁。

3.4 轻量级锁到重量级锁

3.2情况中线程B自旋失败次数达到一定次数（默认10次)，轻量级锁会升级为重量级锁。
值得注意的是3.2情况下如果同时有线程C也在访问同步快，这个时候轻量级锁会立即膨胀为重量级锁。
java1.6中，引入了自适应自旋锁，自适应意味着自旋 的次数不是固定不变的，而是根据前一次在同一个锁上自旋的时间以及锁的拥有者的状态来决定。 如果在同一个锁对象上，自旋等待 刚刚成功获得过锁，并且持有锁的线程正在运行中，那么虚拟机就会认为这次自旋也是很有可能再次成功，进而它将允许自旋等待持续相 对更长的时间。
重量级锁主要通过对象monitor实现的，也就是互斥锁。每一个对象都会和一个监视器monitor关联。监视器被占用时会被锁住，其他线程无法来获取该monitor。monitor会记录线程进入的次数，进入一次会加1，离开会减1，直至为0才能被另一个线程获取。