Synchronized锁升级过程

new出来对象在堆内存中的内存布局

markword 8个字节（synchronized主要影响的是markword）markword记录了锁信息，gc信息，hashcode
klass pointer 指向类.class 即表示对象属于哪个class的对象默认4个字节
成员变量，比如int m=8；int类型的变量占据4个字节
padding对齐

64位的虚拟机，对齐是8个字节，之所以是8个字节是指整体这个对象所占用字节总和必须能被8整除

JOL=Java Object Layout工具的使用

jol是对象内存布局查看工具

引入

        <dependency>
            <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
            <artifactId>jol-core</artifactId>
            <version>0.9</version>
        </dependency>

案例

情况一：下面我们用jol解析new出来的对象o的内存布局

public class JolTest {
    public static void main(String[] args) {
        Object o=new Object();
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
    }
}

执行结果：

从第0个位置往后数4个字节和从第4个位置往后数4个字节总共8个字节这两部分加起来8个字节是markword，从第8个字节开始往后数4个是klass pointer，从第12个字节开始加4个字节对齐组成16个字节

情况二：下面我们对对象o加一把锁，然后来再看它的内存布局变化

public class JolTest {
    public static void main(String[] args) {
        Object o=new Object();
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());

        synchronized (o){
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
        }
    }
}

执行结果：

可以看到锁定对象前对象的markword和锁定对象后对象的markword不一样了，因此我们可以认识到，锁定对象后对象的markword中一定有锁信息

每个组的第一行的括号后面的第一个8位的最后3位可以看锁信息，不如上面是001（无锁态），下面是000（自旋锁）

左边是右边二进制位的十六进制表示形式，比如C8的二进制表示为11001000

总结

markword记录了锁信息，gc信息，hashcode

Synchronized锁升级过程

Synchronized锁在jdk1.2之前效率非常低，后面逐步优化，在jdk1.6以后优化到了一个比较好的状态，这个状态就是Synchronized锁升级过程

用户态和内核态

windows或者linux操作系统都有一个内核，称为kernel。最早的时候，kernel和我们的应用程序不区分，这就导致应用程序直接访问硬件（内存，网卡，显示器），很容易把硬件搞坏，比如直接把操作系统用的内存干掉，导致操作系统down

鉴于此，现在的操作系统一般分为两层，kernel工作的是内核态，我们自己的应用程序工作的时候是用户态。这样，如果用户态的程序要访问内存必须先经过内核态的允许，从用户态转到内核态，拿到结果以后再将数据从内核态转移到用户态

JVM相对于操作系统来说也就是一个普通程序。

JDK早期，Synchronized叫做重量级锁，因为申请锁必须通过内核kernel，系统调用才能拿到这把锁。之所以说是重就是因为需要经过操作系统内核的帮助，因此这是一个效率很低的耗时操作，即使线程很少的情况下

后面对锁逐步优化，就是某些情况下不再需要经过内核，直接在用户空间就可以解决，比如CAS，是轻量级锁

Synchronized锁升级过程

如果最后2位是0,1，则偏向锁和无锁态相同因此无法区分，所以再加一位，因此第三位叫偏向锁位

无锁态-> 偏向锁 ->轻量级锁（又称自旋锁/无锁（之所以叫原因是没有内核状态的锁即CAS））

偏向锁和自旋锁都是在用户空间完成的
重量级锁是需要向内核申请

偏向锁和偏向锁的升级

偏向锁默认是启动的，但是会延迟，JVM启动以后，4秒以后偏向锁才会起作用

就是偏向你一个人，偏向锁实际上就是没有锁，将自己的id贴上去即可，之所以会有偏向锁，因为本来很多时间就是只有一个线程在运行，但这个方法天生就加了一个synchronized，如果向内核申请一个重量级锁效率太低了。
比如我们业务白天访问量很大，存在并发访问情况，可能晚上就一个人访问或者没有，如果我们直接加个重量级锁很明显效率很低。

因此我们直接只是单纯加一个标记，比如张三要上厕所，他在门上贴一张条张三，然后就进去。如果这时候有其他两个线程也来抢这个资源的话，那么就要出现锁竞争，让张三暂停，然后将张三加的偏向锁的标记撤下来，即锁撤销（将张三的纸条撕下来），开始上自旋锁。因为偏向锁并未加锁，只是贴了个标记，不存在锁释放概念：张三醒过来，继续开始执行。其他线程等张三执行完后（之所以要等是因为如果其他线程抢占到了锁，那么张三这次操作就不具备原子性，是线程不安全的）释放锁后，谁能将自己的lock Record贴到门上去，谁就抢到了这把锁。当竞争越来越激烈的时候，才会升级为重量级锁

分析jvm源码(biasedLocking.cpp)解析的偏向锁升级流程，示例中:线程1当前拥有偏向锁对象,线程2是需要竞争到偏向锁。

线程2来竞争锁对象：
判断当前对象头是否是偏向锁;
判断拥有偏向锁的线程1是否还存在;
线程1不存在,直接设置偏向锁标识为0(线程1执行完毕后,不会主动去释放偏向锁);
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仍然存在,暂停线程1；
设置锁标志位为00(变为轻量级锁),偏向锁为0;
从线程1的空闲monitor record中读取一条,放至线程1的当前monitor record中;
更新mark word，将mark word指向线程1中monitor record的指针;
继续执行线程1的代码;
锁升级为轻量级锁;
线程2自旋来获取锁对象;

偏向锁升级轻量级锁条件：只要再来一个线程竞争就升级
偏向锁和自旋锁的区别：自旋锁是需要耗费cpu资源的

有了轻量级锁，为什么还要升级重量级锁

轻量级锁适合锁定以后执行时间较短的场景，或者线程数较少的场景。和重量级锁最重要的区别就是自旋锁是需要占用cpu资源的，因为自旋就要循环，而重量级锁是不需要消耗cpu资源的，原因是重量级锁下面有两个队列，一个竞争队列，一个等待队列。比如之前可能有100个线程在自旋消耗cpu资源，现在不需要再自旋，将其扔到一个等待队列waitSet中等着即可，什么时候轮到这个线程，操作系统将其叫醒然后执行，轮不到那个线程的时候，他就等着即可，属于阻塞

轻量级锁升级重量级锁条件：自旋超过10次，升级为重量级锁，原因：如果太多线程自旋CPU消耗过大，不然升级为重量级锁，进入等待队列（不消耗cpu）

总结

new一个对象，加锁的时候，先加上偏向锁，有轻度竞争的时候升级为轻量级锁，轻量级锁有重度竞争的话升级重量级锁（锁膨胀）。
如果有耗时过长的操作或者wait'操作，偏向锁会直接升级重量级锁