synchronized的锁升级、锁膨胀

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0x01：偏向锁

偏向第一个拿到锁的线程。

即第一个拿到锁的线程，锁会在对象头 Mark Word 中通过 CAS 记录该线程 ID，该线程以后每次拿锁时都不需要进行 CAS（指轻量级锁）。

如果该线程正在执行同步代码块时有其他线程在竞争（指其他线程尝试 CAS 让 Mark Word 设置自己的线程 ID），会被升级为轻量级锁。

如果其他线程发现 Mark Word 里记的不是自己，且发现原持有偏向锁的线程已经执行完同步代码块，会尝试 CAS 把 Mark Word 中的改为自己的线程 ID。

0x02：轻量级锁

轻量级锁就是通过 CAS 进行加锁的。

JVM 会给线程的栈帧中创建一个叫锁记录 Lock Record 的空间，把对象头 Mark Word 复制到该空间里（Displaced Mark Word），并通过CAS 尝试把原对象头 Mark Word 中锁记录指针指向该锁记录。如果成功，表示线程拿到了锁。如果失败，则进行自旋（自旋锁），自旋超过一定次数时升级为重量级锁，这时该线程会被内核挂起。

0x03：自旋锁

轻量级锁膨胀为重量级锁前，线程在执行 monitorenter 指令进入等待队列时，会通过自旋去尝试获得锁。

如果自旋超过一定次数时还未拿到锁，就会进入阻塞状态，等待内核来调度。此时会发生内核态与用户态之间的上下文切换，所以会影响性能（引入自旋锁就是为了减少这个开销）。

因为后面的线程也先进行自旋尝试获取锁，所以这对于已被阻塞的那些线程来说，会不公平。

0x04: 重量级锁

重量级锁就是通过内核来操作线程。因为频繁出现内核态与用户态的切换，会严重影响性能。

升级为重量级锁时会在堆中创建 monitor 对象，并将 Mark Word 指向该 monitor 对象。monitor 中有 cxq（ContentionList），EntryList ，WaitSet，owner：

图片来自：死磕Synchronized底层实现--重量级锁

锁升级的流程图

图片来自：Java Synchronised机制

0x05：锁降级

Hotspot 在 1.8 开始有了锁降级。在 STW 期间 JVM 进入安全点时如果发现有闲置的 monitor（重量级锁对象），会进行锁降级。

Java锁优化--JVM锁降级

0x06：为什么锁信息存放在对象头里？

死磕Synchronized底层实现--概论 中：

因为在Java中任意对象都可以用作锁，因此必定要有一个映射关系，存储该对象以及其对应的锁信息（比如当前哪个线程持有锁，哪些线程在等待）。一种很直观的方法是，用一个全局map，来存储这个映射关系，但这样会有一些问题：需要对map做线程安全保障，不同的synchronized之间会相互影响，性能差；另外当同步对象较多时，该map可能会占用比较多的内存。

所以最好的办法是将这个映射关系存储在对象头中，因为对象头本身也有一些hashcode、GC相关的数据，所以如果能将锁信息与这些信息共存在对象头中就好了。

也就是说，如果用一个全局 map 来存对象的锁信息，还需要对该 map 做线程安全处理，不同的锁之间会有影响。所以直接存到对象头。