Synchronized 锁升级过程

对象结构

Java 对象存储在堆中，那么一个java对象在内存中的结构哪些信息呢？包含对象头，对象体和对齐字节，以下是一个java对象在32位操作系统中的结构

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对象头

MarkWord，记录锁信息（synchronized，hashcode，最原始的hashcode, 自己写的不算， gc信息, 4bit，分代年龄，就是gc的信息, 最大15。
对象指针，指向对象的指针，其指向的位置是对象对应的Class对象（其对应的元数据对象）的内存地址。如果是数组就是长度。

对象体

对象数据，实际的对象数据，其大小由各个成员变量的大小决定，比如：byte和boolean是1个字节，short和char是2个字节，int和float是4个字节，long和double是8个字节，reference是4个字节。

对齐字节

如果占用内存不能被8整除，内存加到可以被8整除为止

Synchronized 锁优化

锁状态有四种，其中偏向锁和轻量级锁都是在用户态，而重量级锁需要向操作系统申请，在内核态。

无锁
偏向锁
轻量级锁
重量级锁

偏向锁

为什么要引入偏向锁

因为经过HotSpot的作者大量的研究发现，大多数(90%)时候是不存在锁竞争的，常常是一个线程多次获得同一个锁，因此如果每次都要竞争锁会增大很多没有必要付出的代价，为了降低获取锁的代价，才引入的偏向锁。

如何上偏向锁

上偏向锁是在对象的markword上贴上线程id，一般偏向第一个线程。

偏向锁升级

当线程1访问代码块并获取锁对象时，会在java对象头和栈帧中记录偏向的锁的threadID，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threadID和Java对象头中的threadID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threadID），那么需要查看Java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。

如何取消偏向锁

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JVM调优： -XX:BiasedLockingStartUpDelay=0；
如果不想要偏向锁，那么可以通过-XX:-UseBiasedLocking = false来设置；

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，让它自旋这等待锁释放。

上轻量级锁过程

轻量级锁为CAS自旋锁(自旋锁, compare and swap)，在需要上锁的线程上面进行操作。步骤如下：

将竞争的变量值拷贝本线程的内存
在本线程计算结果
比较竞争变量在1中的值和当前值，如果一致，说明没有其他进程改写(也可能改写了但是值一样)，将2中计算的值填入变量中。如果1中的值和现在的值不一样，那么回到第一步重新自旋，直到改写变量成功为止。对于其他进程改变了变量的值，只是值一样，如果需要考虑这种情况为竞争过，可以为变量值加一个版本号。

轻量级锁升级

线程1获取轻量级锁时会先把锁对象的对象头MarkWord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DisplacedMarkWord），然后使用CAS把对象头中的内容替换为线程1存储的锁记录（DisplacedMarkWord）的地址；
如果在线程1复制对象头的同时（在线程1CAS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2CAS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。

重量级锁

重量级锁需要向操作系统申请，程序从用户态-> 内核态 -> 用户态。上重量级锁后，对于没有获得锁的线程，将会根据优先级到锁的队列里进行排队，队列里的线程将会处于睡眠状态，获得锁之后会被操作系统唤醒。对于多个CPU来说，一个CPU可以通过锁住总线来防止其他CPU改写数据。

synchronized 锁升级过程

锁升级过程大致如下