Java synchronized锁升级过程和原理（新手必看）
从 Java 6 开始，synchronized 锁一共有 4 种状态，即无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁，锁的状态会随着竞争情况逐渐升级。
synchronized 锁是由低（偏向锁）到高（重量级锁）进行升级的，可以升级但是不可以降级，其作用是提高获取锁和释放锁的效率。
synchronized 锁升级的原理与 Java 对象头有关。在 HotSpot 虚拟机中，Java 对象在内存中的结构大致可以分为对象头、实例数据和填充对齐三部分。由于 synchronized 锁是基于对象的，对象的锁信息又存储在对象头里，所以这里我们重点介绍一下对象头。
每个 Java 对象都有对象头：
在 32 位处理器中，一个字宽是 32 位；在 64 位虚拟机中，一个字宽是 64 位。一个数组类型的 Java 对象头结构如下表所示：
从上表可以看出，锁信息存储在对象头的 Mark Word 中，比如 Java 对象的线程锁状态及 GC 标记。线程锁状态就是前面提到的无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。
我们再看一下 Mark Word 的格式，如下表所示：
从上表可以看出：
至此，我们可以知道 synchronized 锁升级的原理其实是利用 Java 对象头中的 Mark Word 标记锁状态和线程 ID 等信息，在锁升级过程中，会更新 Mark Word 信息，详情如下。
1) 对象在没有被当成锁时，就是一个普通的对象，Mark Word 记录对象的 hashCode，锁标志位是 01，对应是否偏向锁的那一位是 0。
2) 当对象被当作同步锁并有一个线程 A 抢到了锁时，锁标志位还是 01，但对应是否偏向锁的那一位改成 1，前面 29 位或 61 位记录抢到锁的线程 ID、时间戳等，表示进入偏向锁状态。
3) 当线程 A 再次试图获得锁时，JVM 发现同步锁对象的标志位是 01，对应是否偏向锁的那一位是 1，也就是偏向状态，Mark Word 中记录的线程 ID 就是线程 A 自己的 ID，表示线程 A 已经获得了这个偏向锁，可以执行同步锁的代码。
4) 当线程 B 试图获得这个锁时，JVM 发现同步锁处于偏向状态，但是 Mark Word 中记录的线程 ID 不是线程 B 的 ID，那么线程 B 会先用 CAS 操作试图获得锁，这里的获得锁操作是有可能成功的，因为线程 A 一般不会自动释放偏向锁。如果抢锁成功，就把 Mark Word 里的线程 ID 改为线程 B 的 ID，代表线程 B 获得了这个偏向锁，可以执行同步锁代码。如果抢锁失败，则继续执行。
5) 偏向锁状态抢锁失败，代表当前锁有一定的竞争，偏向锁将升级为轻量级锁。JVM 会在当前线程的线程栈中开辟一块单独的空间，里面保存指向对象锁 Mark Word 的指针，同时在对象锁 Mark Word 中保存指向这片空间的指针。上述两个保存操作都是 CAS 操作，如果保存成功，代表线程抢到了同步锁，就把 Mark Word 中的锁标志位改成 00，可以执行同步锁代码；如果保存失败，表示抢锁失败，竞争太激烈，继续执行步骤（6）。
6) 轻量级锁抢锁失败，JVM 会使用自旋锁。自旋锁不是一种锁状态，只代表不断地重试，尝试抢锁。从 Java 7 开始，自旋锁默认启用，自旋次数由 JVM 决定。如果抢锁成功则执行同步锁代码，如果失败则继续执行步骤（7）。
7) 在自旋锁重试之后，如果抢锁依然失败，同步锁会升级至重量级锁，锁标志位改为 10。在这个状态下，未抢到锁的线程都会被阻塞。
synchronized 锁是由低（偏向锁）到高（重量级锁）进行升级的，可以升级但是不可以降级，其作用是提高获取锁和释放锁的效率。
synchronized 锁升级的原理与 Java 对象头有关。在 HotSpot 虚拟机中，Java 对象在内存中的结构大致可以分为对象头、实例数据和填充对齐三部分。由于 synchronized 锁是基于对象的，对象的锁信息又存储在对象头里，所以这里我们重点介绍一下对象头。
每个 Java 对象都有对象头：
- 如果 Java 对象的类型是非数组类型，则用 2 个字宽来存储对象头，对象头则由 Mark Word 和 Class MetadataAddress 组成；
- 如果 Java 对象的类型是数组类型，则用 3 个字宽来存储对象头，对象头由 Mark Word、Class MetadataAddress 和 Array length 组成。
在 32 位处理器中，一个字宽是 32 位；在 64 位虚拟机中，一个字宽是 64 位。一个数组类型的 Java 对象头结构如下表所示：
| 表头1 | 表头2 | 表头3 |
|---|---|---|
| Mark Word | 存储对象的 hashCode、分代年龄和锁信息 | 32位/64位 |
| Class Metadata Address | 存储对象类型数据的指针 | 32位/64位 |
| Array length | 数组的长度 | 32位/64位 |
从上表可以看出，锁信息存储在对象头的 Mark Word 中，比如 Java 对象的线程锁状态及 GC 标记。线程锁状态就是前面提到的无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。
我们再看一下 Mark Word 的格式，如下表所示：
| 锁状态 | 29 位 或 61 位 | 1 位 是否为偏向锁 | 2位 锁标志位 |
|---|---|---|---|
| 无锁 | 对象 hashCode、分代年龄 | 0 | 01 |
| 偏向锁 | 线程 ID、偏向锁时间戳、分代年龄 | 1 | 01 |
| 轻量级锁 | 指向栈中锁记录的指针 | 00 | |
| 重量级锁 | 指向堆中Monitor对象的指针 | 10 | |
| GC 标记 | GC 标记信息 | 11 | |
从上表可以看出：
- 当对象状态为偏向锁时，Mark Word 存储的是偏向的线程 ID；
- 当对象状态为轻量级锁时，Mark Word 存储的是指向线程栈中 Lock Record 的指针；
- 当对象状态为重量级锁时，Mark Word 存储的是指向堆中的互斥锁 Monitor 对象的指针。
至此，我们可以知道 synchronized 锁升级的原理其实是利用 Java 对象头中的 Mark Word 标记锁状态和线程 ID 等信息，在锁升级过程中，会更新 Mark Word 信息，详情如下。
1) 对象在没有被当成锁时，就是一个普通的对象，Mark Word 记录对象的 hashCode，锁标志位是 01，对应是否偏向锁的那一位是 0。
2) 当对象被当作同步锁并有一个线程 A 抢到了锁时，锁标志位还是 01，但对应是否偏向锁的那一位改成 1，前面 29 位或 61 位记录抢到锁的线程 ID、时间戳等，表示进入偏向锁状态。
3) 当线程 A 再次试图获得锁时，JVM 发现同步锁对象的标志位是 01，对应是否偏向锁的那一位是 1，也就是偏向状态，Mark Word 中记录的线程 ID 就是线程 A 自己的 ID，表示线程 A 已经获得了这个偏向锁，可以执行同步锁的代码。
4) 当线程 B 试图获得这个锁时，JVM 发现同步锁处于偏向状态，但是 Mark Word 中记录的线程 ID 不是线程 B 的 ID，那么线程 B 会先用 CAS 操作试图获得锁，这里的获得锁操作是有可能成功的，因为线程 A 一般不会自动释放偏向锁。如果抢锁成功，就把 Mark Word 里的线程 ID 改为线程 B 的 ID，代表线程 B 获得了这个偏向锁，可以执行同步锁代码。如果抢锁失败，则继续执行。
5) 偏向锁状态抢锁失败，代表当前锁有一定的竞争，偏向锁将升级为轻量级锁。JVM 会在当前线程的线程栈中开辟一块单独的空间，里面保存指向对象锁 Mark Word 的指针，同时在对象锁 Mark Word 中保存指向这片空间的指针。上述两个保存操作都是 CAS 操作，如果保存成功，代表线程抢到了同步锁，就把 Mark Word 中的锁标志位改成 00，可以执行同步锁代码；如果保存失败，表示抢锁失败，竞争太激烈，继续执行步骤（6）。
6) 轻量级锁抢锁失败，JVM 会使用自旋锁。自旋锁不是一种锁状态，只代表不断地重试，尝试抢锁。从 Java 7 开始，自旋锁默认启用，自旋次数由 JVM 决定。如果抢锁成功则执行同步锁代码，如果失败则继续执行步骤（7）。
7) 在自旋锁重试之后，如果抢锁依然失败，同步锁会升级至重量级锁，锁标志位改为 10。在这个状态下，未抢到锁的线程都会被阻塞。
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