1 前言
我们都知道，synchronized 是重量级锁，其运行速度一直不敢恭维，万幸，JDK 1.6 之后为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗，引入了偏向锁和轻量级锁。
锁的状态总共有四种，无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。随着锁的竞争，锁可以从偏向锁升级到轻量级锁，再升级为重量级锁，为了提高获得锁和释放锁的效率，锁的升级是单向的，即只有升级而不存在降级。
2 偏向锁
2.1 什么是偏向锁
偏向锁是一种针对加锁操作的优化手段。在大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，因此为了减少同一线程获取锁(会涉及到一些 CAS 操作，比较耗时)的代价而引入偏向锁。
2.2 偏向锁的核心思想
如果一个线程获得了锁，那么锁就进入偏向模式，此时 Mark Word 的结构也变为偏向锁结构，当这个线程再次请求锁时，无需再做任何同步操作。这样就省去了大量有关锁申请的操作，从而也就提高程序的性能。
2.3 偏向锁获取锁的流程
- 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即可
- 如果测试成功，表示线程已经获得了锁。如果测试失败，则需要再测试一下 Mark Word 中偏向锁的标识是否设置成1（表示当前是偏向锁）
- 如果没有设置，则使用 CAS 竞争锁，如果设置了就尝试使用 CAS 将对象头的偏向锁指向当前线程
2.4 偏向锁升级为轻量锁
如果偏向锁失败，虚拟机并不会立即挂起线程，而是会使用轻量级锁进行操作。
2.5 偏向锁的使用场景
对于没有锁竞争的场合，偏向锁有很好的优化效果；对于锁竞争比较激烈的场合，由于可能每次申请锁的线程都是不相同的，使用偏向锁很容易得不偿失。
3 轻量级锁
3.1 什么是轻量级锁
轻量级锁只是简单的将对象头部作为指针，指向持有锁的线程堆栈的内部，来判断一个线程是否持有对象锁。
3.2 轻量级锁的核心思想
对绝大部分的锁，在整个同步周期内都不存在竞争。
3.3 轻量锁升级为重量级锁
如果线程获得轻量级锁成功，则可以顺利进入临界区。如果轻量级锁加锁失败，则表示其他线程抢先夺到锁，那么当前线程的轻量级锁就会膨胀为重量级锁。
3.4 轻量级锁的使用场景
轻量级锁所适应的场景是线程交替执行同步块的场合，如果存在同一时间访问同一锁的场合，就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。
4 自旋锁
4.1 什么是自旋锁
自旋锁会假设在不久的将来，当前的线程可以获得锁，因此虚拟机会让当前想要获取锁的线程做几个空循环，一般不会太久，可能是50个循环或100个循环。在经过若干次循环后，如果得到锁，就顺利进入临界区。如果还不能获得锁，那就会将线程在操作系统层面挂起，最后没有办法就只能升级为重量级锁了。
4.2 自旋锁执行的条件
轻量级锁失败后，虚拟机为了避免线程在操作系统层面挂起，会执行自旋锁。
4.3 自旋锁的核心思想
在大多数情况下，线程持有锁的时间都不会太长，如果直接挂起操作系统层面的线程可能会得不偿失，毕竟操作系统实现线程之间的切换时需要从用户态转换到核心态，这个状态之间的转换需要相对比较长的时间，时间成本相对较高，所以可以试试执行自旋锁看看能不能很快获得锁。
4.4 为什么锁的升级无法逆向
自旋锁不知道到底会空循环几个时钟周期，这种方法很消耗 CPU，为了避免这种无用的自旋操作，一旦锁升级为重量锁，就不会再恢复到轻量级锁。
5 三种锁之间的对比
6 锁消除
Java 虚拟机在 JIT 编译时，通过对运行上下文的扫描，去除不可能存在共享资源竞争的锁，通过这种方式消除没有必要的锁，可以节省毫无意义的请求锁时间，这就是锁消除。
我们看下面的代码
public void add(String str1, String str2) {
StringBuffer sb = new StringBuffer();
sb.append(str1).append(str2);
}
StringBuffer 中的 append 是一个同步方法，然而 StringBuffer 在方法中只是一个局部变量，不会被其他线程所使用，不可能存在共享资源竞争的情景，JVM 会将锁消除。
参考：深入理解Java并发之synchronized实现原理
Java多线程编程-（11）-从volatile和synchronized的底层实现原理看Java虚拟机对锁优化所做的努力
