1. 对象头
synchronized 用的锁是存在Java对象头里的。
| 长度 | 内容 | 说明 |
|---|---|---|
| 32 bit/ 64 bit | Mark word | 存储对象的hashcode或锁信息等 |
| 32 bit/ 64 bit | Class Metadata Address | 存储到对象类型的指针 |
| 32 bit/ 64 bit | Array length | 数组长度（如果对象为数组） |
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：
| 锁状态 | 25 bit | 4 bit | 1 bit 是否为偏向锁 | 2 bit 锁标志位 |
|---|---|---|---|---|
| 无锁状态 | hashcode | 分代年龄 | 0 | 01 |
注意：Mark Word里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化
变化如下：
2. 锁的升级
锁一共有4种状态，级别从低到高依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态
- 锁的膨胀方向从左到右。
- 会随着竞争情况逐渐升级，但不能降级。
2.1 偏向锁
当一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程ID，以后该线程在进入和退出同步块时不需要进行CAS操作来加锁和解锁，只需简单地测试一下对象头的Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。
2.1.1 偏向锁的撤销
偏向锁的撤销，需要等待全局安全点（在这个时间点上没有正在执行的字节码）
如下图，线程1演示了偏向锁初始化的流程，线程2演示了偏向锁撤销的流程。
撤销过程描述：
- 暂停拥有偏向锁的线程，检查持有偏向锁的线程是否活着；
- 线程不处于活动状态，对象头设置成无锁状态；否则进入 3.
- 遍历偏向对象的锁记录栈中的锁记录和对象头的Mark Word，要么重新偏向于其他线程，要么恢复到无锁或者标记对象不适合作为偏向锁
- 唤醒暂停的线程
注意：由 表2.4 可以看到偏向锁，有一个Epoch标记，撤销一次Epoch自加1，如果线程撤销次数大于一个给定值（50），则会自动膨胀为轻量级锁
2.1.2 关闭偏向锁的命令
-XX:BiasedLockingStartupDelay=0：关闭启动延迟-XX:-UseBiasedLocking=false：设置false，会使程序自动进入轻量级锁
2.2 轻量级锁
2.2.1 加锁
首先，JVM 会先在当前线程的栈桢中创建用于存储锁记录的空间，将对象头中的Mark Word复制到锁记录中，官方称为Displaced Mark Word。
使用 CAS操作，将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针：
- 成功：当前线程获得锁
- 失败：线程便使用自旋来获取锁（当自旋次数大于一个值时，膨胀为重量级锁）
2.2.2 解锁
解锁时，会使用原子的 CAS 操作将 Displaced Mark Word 替换回到对象头：
- 成功：没有竞争发生
- 失败：锁存在竞争，锁就会膨胀成重量级锁
下图是两个线程同时争夺锁，导致锁膨胀的流程图。
3. 锁的优缺点对比
具体见下表
| 锁 | 优点 | 缺点 | 使用场景 |
|---|---|---|---|
| 偏向锁 | 加锁解锁不需要额外操作 | 如果线程存在锁竞争，会导致额外的锁撤销的消耗 | 只有一个线程访问同步块 |
| 轻量级锁 | 竞争线程不会阻塞，提高程序响应 | 始终得不到线程，自旋会导致CPU的额外消耗 | 追求响应时间 同步块执行速度很快 |
| 重量级锁 | 线程竞争不自旋 | 线程阻塞，响应时间长 | 追求吞吐量 同步块执行时间长 |
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