前言
前几天去面试的时候，面试官问了一些关于 synchronized 关键字原理性的问题，回答得不甚理想。看来，平时对synchronized关键只能做到知其然，却不知其所以然，所以利用业余时间补习一下。
synchronized 原理
synchronized 关键字编译后会在同步块的前后添加上 montorenter 和 monitorexit 两个字节码指令，这两个字节码指令都需要一个指向锁定和解锁对象的 reference，如果指定了同步的对象reference就指向这个对象，如果修饰的是方法，如果是类方法就指向Class对象，如果是实例方法就指向这个实例。
对象头和锁
synchronized 使用的锁存在 Java 对象头中。HotSpot 虚拟机的对象头分两部分信息，第一部分用于存储对象自身的运行时数据，如HashCode,GC分代年龄等，这部分数据长度在32位和64位虚拟机中分别为32bit和64bit，它又称为“MarkWord”，它是实现锁的关键。另一部分就是用于存储指向方法区对象类型数据的指针，如果是数组的话，还有一个额外的空间储存数组长度。
对象头是与对象自己数据无关的额外储存成本，因此考虑到空间效率，MarkWord会根据自身的状态进行复用，也就是说在不同的状态下，它的储存结构不一样。在32位的HotSpot虚拟机中对象未锁定的状态下，Mark Word的32bit空间中的25bit用于储存对象的哈希码，4bit用于储存对象分代年龄，2bit用于储存锁标志位，1bit固定为0。
锁升级
在Java中，锁共有4种状态，级别从低到高依次为：无状态锁，偏向锁，轻量级锁和重量级锁状态，这几个状态会随着竞争情况逐渐升级。锁可以升级但不能降级。
偏向锁
偏向锁的核心思想就是锁会偏向第一个获取它的线程，在接下来的执行过程中该锁没有其他的线程获取，则持有偏向锁的线程永远不需要再进行同步。
当一个线程访问同步块并获取锁的时候，会在对象头和栈帧中的锁记录里存储偏向的线程 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，只需要检查当前 Mark Word 中存储的线程是否为当前线程，如果是，则表示已经获得对象锁；否则，需要测试 Mark Word 中偏向锁的标志是否为1，如果没有则使用 CAS 操作竞争锁，如果设置了，则尝试使用 CAS 将对象头的偏向锁指向当前线程。
需要注意的是，偏向锁使用一种等待竞争出现才释放锁的机制，所以当有其他线程尝试获得锁时，才会释放锁。偏向锁的撤销，需要等到安全点。它首先会暂停拥有偏向锁的线程，然后检查持有偏向锁的线程是否活着，如果不处于活动状态，则将对象头设置为无锁状态；如果依然活动，拥有偏向锁的栈会被执行，遍历偏向对象的锁记录，栈中的锁记录和对象头的Mark Word要么重新偏向其他线程，要么恢复到无锁或者标记对象不合适作为偏向锁（膨胀为轻量级锁），最后唤醒暂停的线程。
轻量级锁
线程在执行同步块之前，JVM会现在当前线程的栈帧中创建用于储存锁记录的空间（LockRecord），并将对象头的Mark Word信息复制到锁记录中。然后线程尝试使用 CAS 将对象头的MarkWord替换为指向锁记录的指针。如果成功，当前线程获得锁，并且对象的锁标志位转变为“00”，如果失败，表示其他线程竞争锁，当前线程便会尝试自旋获取锁。如果有两条以上的线程竞争同一个锁，那么轻量级锁就不再有效，要膨胀为重量级锁，锁标志的状态变为“10”，MarkWord中储存的就是指向重量级锁（互斥量）的指针，后面等待的线程也要进入阻塞状态。
轻量级锁解锁时，同样通过CAS操作将对象头换回来。如果成功，则表示没有竞争发生。如果失败，说明有其他线程尝试过获取该锁，锁同样会膨胀为重量级锁。在释放锁的同时，唤醒被挂起的线程。
重量级锁
重量级锁（Heavyweight Lock）是将程序运行交出控制权，将线程挂起，由操作系统来负责线程间的调度，负责线程的阻塞和执行。这样会出现频繁地对线程运行状态的切换，线程的挂起和唤醒，消耗大量的系统资源，导致性能低下。
最后看一下，锁升级的图示过程：
