1.CAS(Compare and Swap /比较再交换)

CAS是一种无锁算法，也叫自旋锁，它以不上锁的方式实现线程同步。

操作逻辑为：1.读取变量值 E

2.对该值进行操作，改变后的值为V

3.回写数据之前，再次取出E的值，判断与第一次取出时的值是否相同

4.如果相同,表示无人修改过E的值，那么当前线程就可以将修改后的值V写入E

5.如果不相同，表示E的值已经被修改，那么，当前线程的此次修改就无效了，需要重新读取E的值

但是，只用上面的逻辑，会遇到一个问题：

1. 线程1读取到变量x的旧值为0，开始对其修改...

2.线程2抢占，将变量x值改为了1

3.线程3抢占，将变量x的值又改回了0

4.线程1把0修改成了1，准备回写新值

5.线程1发现，x的值为0，与读取时的值一致，回写x的值为1

以上问题被称为ABA问题。那么如何解决ABA呢？

其实很简单，即给变量x增加一个版本号。每个线程在修改x的值时，更新版本号,这样就能判断出此变量是否被修改过。

2.下图演示了synchronized的锁升级过程

过程大概如下：

jvm中有关于偏向锁的参数,可以设置是否开启偏向锁。

java -XX:+PrintFlagsFinal //该指令可以在控制台打印出所有的系统参数

java -XX:+PrintFlagsFinal | grep -i 'BiasedLock' //查看所有的偏向锁相关参数

下图是执行结果。其中 -UseBiasedLocking 参数表示默认开启偏向锁.

-BiasedLockingStartupDelay 表示延迟4秒开启

为什么要延迟开启偏向锁呢？因为java 虚拟机中,存在许多synchronize的方法，而这些方法经过统计后，发现竞争比较激烈,开启偏向锁会产生多余的切换动作，消耗资源，因此在虚拟机启动时，关闭偏向锁能提高速度。

如果不开启偏向锁，则会直接由无锁状态转变为轻量级锁。

下面讨论的是默认开启偏向锁的情况。

在讲锁升级之前，还要引入一个东西：Mark Word,共64位，不同的位置标示不同的含义。如图：

在线程访问一个对象时，首先给线程上一个偏向锁。如果有其他线程来竞争此对象，升级为轻量级锁(自旋锁)。

当处于自旋锁状态的竞争激烈时(特定条件：如等待线程的个数超过N个，锁自旋的次数超过n次等)，会升级成重量级锁。

3.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。当一个线程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，以后该线程在进入和退出同步块时不需要进行CAS操作来加锁和解锁，只需简单地测试一下对象头的Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。

如果测试成功，表示线程已经获得了锁。

如果测试失败，则需要再测试一下Mark Word中偏向锁的标识是否设置成1（表示当前是偏向锁）

如果没有设置，则使用CAS竞争锁；如果设置了，则尝试使用CAS将对象头的偏向锁指向当前线程。

详细步骤：

1.线程1首先获得了偏向锁

2.线程2来竞争锁对象;

3.判断当前对象头是否是偏向锁；

是：判断拥有偏向锁的线程1是否还存在

存在：

4.暂停线程1，修改锁标志位，将锁升级成轻量级锁

5.线程1继续执行

6.线程2自旋，竞争锁对象

不存在：

4.使用cas替换偏向锁线程ID为线程2,锁不升级，仍为偏向锁(线程1执行完毕后,不会主动去释放偏向锁)

否：线程2自旋来获取锁对象;

4.轻量级锁(自旋锁)

线程在执行同步块之前，JVM会先在当前线程的栈桢中创建用于存储锁记录的空间，并将对象头中的Mark Word复制到锁记录中，官方称为Displaced Mark Word。然后线程尝试使用CAS将对象头中的Mark Word替换替换为自己的线程id。如果成功，当前线程获得锁，如果失败，表示其他线程竞争锁，当前线程便尝试使用自旋来获取锁。

轻量级解锁时，会使用原子的CAS操作将Displaced Mark Word替换回到对象头，如果成功，则表示没有竞争发生。如果失败，表示当前锁存在竞争，就会开始自旋。自旋一定次数后轻量级锁会膨胀为重量级锁。

5.重量级锁

重量级锁依赖于底层操作系统的Mutex Lock，所有线程都会被阻塞住，线程之间的切换需要从用户态到内核态，切换成本非常高。

锁可以升级但不能降级，意味着偏向锁升级成轻量级锁后不能降级成偏向锁，这种锁升级却不能降级的策略，是为了提高获得锁和释放锁的效率