对 java 同步锁以及级别升级的理解

首先简单说下先偏向锁、轻量级锁、重量级锁三者各自的应用场景：

偏向锁：只有一个线程进入临界区；
轻量级锁：多个线程交替进入临界区；
重量级锁：多个线程同时进入临界区。

还要明确的是，偏向锁、轻量级锁都是JVM引入的锁优化手段，目的是降低线程同步的开销。比如以下的同步代码块：

synchronized (lockObject) {// do something
}

上述同步代码块中存在一个临界区，假设当前存在Thread#1和Thread#2这两个用户线程，分三种情况来讨论：

情况一：只有Thread#1会进入临界区；
情况二：Thread#1和Thread#2交替进入临界区；
情况三：Thread#1和Thread#2同时进入临界区。

上述的情况一是偏向锁的适用场景，此时当Thread#1进入临界区时，JVM会将lockObject的对象头Mark Word的锁标志位设为“01”，同时会用CAS操作把Thread#1的线程ID记录到Mark Word中，此时进入偏向模式。所谓“偏向”，指的是这个锁会偏向于Thread#1，若接下来没有其他线程进入临界区，则Thread#1再出入临界区无需再执行任何同步操作。也就是说，若只有Thread#1会进入临界区，实际上只有Thread#1初次进入临界区时需要执行CAS操作，以后再出入临界区都不会有同步操作带来的开销。

然而情况一是一个比较理想的情况，更多时候Thread#2也会尝试进入临界区。若Thread#2尝试进入时Thread#1已退出临界区，即此时lockObject处于未锁定状态，这时说明偏向锁上发生了竞争（对应情况二），此时会撤销偏向，Mark Word中不再存放偏向线程ID，而是存放hashCode和GC分代年龄，同时锁标识位变为“01”（表示未锁定），这时Thread#2会获取lockObject的轻量级锁。因为此时Thread#1和Thread#2交替进入临界区，所以偏向锁无法满足需求，需要膨胀到轻量级锁。

再说轻量级锁什么时候会膨胀到重量级锁。若一直是Thread#1和Thread#2交替进入临界区，那么没有问题，轻量锁hold住。一旦在轻量级锁上发生竞争，即出现“Thread#1和Thread#2同时进入临界区”的情况，轻量级锁就hold不住了。（根本原因是轻量级锁没有足够的空间存储额外状态，此时若不膨胀为重量级锁，则所有等待轻量锁的线程只能自旋，可能会损失很多CPU时间）

MarkWord:

锁存在Java对象头里。如果对象是数组类型，则虚拟机用3个Word（字宽）存储对象头，如果对象是非数组类型，则用2字宽存储对象头。在32位虚拟机中，一字宽等于四字节，即32bit。

长度	内容	说明
32/64bit	Mark Word	存储对象的hashCode或锁信息等。
32/64bit	Class Metadata Address	存储到对象类型数据的指针
32/64bit	Array length	数组的长度（如果当前对象是数组）

Java对象头里的Mark Word里默认存储对象的HashCode，分代年龄和锁标记位。32位JVM的Mark Word的默认存储结构如下：

25 bit

4bit

1bit

是否是偏向锁

2bit

锁标志位

无锁状态

对象的hashCode

对象分代年龄

在运行期间Mark Word里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。Mark Word可能变化为存储以下4种数据：

锁状态	25 bit	4bit	1bit	2bit
23bit	2bit	是否是偏向锁	锁标志位
轻量级锁	指向栈中锁记录的指针	00
重量级锁	指向互斥量（重量级锁）的指针	10
GC标记	空	11
偏向锁	线程ID	Epoch	对象分代年龄	1	01

在64位虚拟机下，Mark Word是64bit大小的，其存储结构如下：

锁状态	25bit	31bit	1bit	4bit	1bit	2bit
		cms_free	分代年龄	偏向锁	锁标志位
无锁	unused	hashCode			0	01
偏向锁	ThreadID(54bit) Epoch(2bit)			1	01

上面是最简单的说法或者理解，但是实际上有很多的切换细节设计性能优化问题。

偏向所锁，轻量级锁都是乐观锁，重量级锁是悲观锁。

一个对象刚开始实例化的时候，没有任何线程来访问它的时候。它是可偏向的，意味着，它现在认为只可能有一个线程来访问它，所以当第一个线程来访问它的时候，它会偏向这个线程，此时，对象持有偏向锁。偏向第一个线程，这个线程在修改对象头成为偏向锁的时候使用CAS操作，并将对象头中的ThreadID改成自己的ID，之后再次访问这个对象时，只需要对比ID，不需要再使用CAS在进行操作。（偏向锁只进行一次cas操作）

一旦有第二个线程访问这个对象，因为偏向锁不会主动释放，所以第二个线程可以看到对象时偏向状态，这时表明在这个对象上已经存在竞争了，检查原来持有该对象锁的线程是否依然存活，如果挂了，则可以将对象变为无锁状态，然后重新偏向新的线程，如果原来的线程依然存活，则马上执行那个线程的操作栈，检查该对象的使用情况，如果仍然需要持有偏向锁，则偏向锁升级为轻量级锁，（偏向锁就是这个时候升级为轻量级锁的）。

如果不存在使用了，则可以将对象回复成无锁状态，然后重新偏向。轻量级锁认为竞争存在，但是竞争的程度很轻，一般两个线程对于同一个锁的操作都会错开，或者说稍微等待一下（自旋），另一个线程就会释放锁。但是当自旋超过一定的次数，或者一个线程在持有锁，一个在自旋，又有第三个来访时，轻量级锁膨胀为重量级锁，重量级锁使除了拥有锁的线程以外的线程都阻塞，防止CPU空转。

为什么此时升级为重量级锁呢，将所有竞争线程挂起（重量级锁，是jvm 借助系统级的互斥锁）？？假如很多线程都是处于轻量级上，都处于自旋状态，那么其中正在运行一个线程以及释放锁了，但是此时有很多线程在自旋，都在相互竞争。可能造成所有的线程都会一直自旋下去，cpu空转。

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