目录
1 前言
2 偏向锁
2.1 锁获取过程
2.2 锁撤销过程
2.3 偏向锁的关闭
3 轻量级锁
3.1 轻量级锁获取过程
3.2 轻量级锁释放过程
4 重量级锁
5 锁的优缺点对比
1 前言
在Java SE1.6之前，synchronized一直都是重量级锁，如果某个线程获得了锁，其它获取锁的线程必须阻塞。在高并发的情况下，会有大量线程阻塞，导致系统响应速度急剧下降；同时不断的获取和释放锁也会导致线程不断切换，给系统造成较大的负担。在Java SE1.6之后，为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗而引入的偏向锁和轻量级锁，以及锁的存储结构和升级过程。这些锁就存在锁对象的对象头中，可以参考：Synchronized与Java对象头。
在Java SE 1.6中，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，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，意味着偏向锁升级成轻量级锁后不能降级成偏向锁。
为什么要进行锁升级？锁了就锁了，不就要加锁么？
首先明确早起jdk1.2效率非常低。那时候syn就是重量级锁，申请锁必须要经过操作系统老大kernel进行系统调用，入队进行排序操作，操作完之后再返回给用户态。
内核态：用户态如果要做一些比较危险的操作直接访问硬件，很容易把硬件搞死（格式化，访问网卡，访问内存干掉、）操作系统为了系统安全分成两层，用户态和内核态 。申请锁资源的时候用户态要向操作系统老大内核态申请。Jdk1.2的时候用户需要跟内核态申请锁，然后内核态还会给用户态。这个过程是非常消耗时间的，导致早期效率特别低。有些jvm就可以处理的为什么还交给操作系统做去呢？能不能把jvm就可以完成的锁操作拉取出来提升效率，所以也就有了锁优化。
锁升级过程
2 偏向锁
synchronized锁最初的锁等级就是偏向锁。
2.1 锁获取过程
HotSpot的作者经过研究发现，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，为了让线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁。
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。如果测试成功，表示线程已经获得了锁；如果测试失败，要检查当前锁是否是偏向锁，即测试一下Mark Word中偏向锁的标识是否设置成1（表示当前是偏向锁）：如果不是偏向锁，则使用CAS竞争锁；如果是偏向锁，表示锁已经被其它线程持有，则持有锁的线程释放锁，并尝试使用CAS将对象头的偏向锁指向当前线程（即当前线程获得锁）。
2.2 锁撤销过程
当其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁。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）。它会首先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，如果线程不处于活动状态，则将对象头设置成无锁状态；如果线程仍然活着，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，最后唤醒暂停的线程。
2.3 偏向锁的关闭
为什么要有偏向锁？
其实这本质上归根于一个概率问题，统计表示，在我们日常用的syn锁过程中70%-80%的情况下，一般都只有一个线程去拿锁，例如我们常使用的System.out.println、StringBuffer，虽然底层加了syn锁，但是基本没有多线程竞争的情况。那么这种情况下，没有必要升级到轻量级锁级别了。偏向的意义在于：第一个线程拿到锁，将自己的线程信息标记在锁上，下次进来就不需要在拿去拿锁验证了。如果超过1个线程去抢锁，那么偏向锁就会撤销，升级为轻量级锁，其实我认为严格意义上来讲偏向锁并不算一把真正的锁，因为只有一个线程去访问共享资源的时候才会有偏向锁这个情况。
偏向锁在Java 6和Java 7里是默认启用的，但是它在应用程序启动几秒钟之后才激活，如有必要可以使用JVM参数来关闭延迟：-XX:BiasedLockingStartupDelay=0。如果你确定应用程序里所有的锁通常情况下处于竞争状态，可以通过JVM参数关闭偏向锁：-XX:-UseBiasedLocking=false，那么程序默认会进入轻量级锁状态。
3 轻量级锁
当偏向锁出现竞争时，锁就会升级成轻量级锁。如果关闭了偏向锁，那么一开始锁就是轻量级锁。
3.1 轻量级锁获取过程
线程在执行同步块之前，JVM会先在当前线程的栈桢中创建用于存储锁记录的空间，并将对象头中的Mark Word复制到锁记录中（官方称为Displaced Mark Word），然后线程尝试使用CAS将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针。如果成功，当前线程获得锁，如果失败，表示其他线程已获取锁，当前线程便尝试使用自旋来获取锁。
3.2 轻量级锁释放过程
轻量级解锁时，会使用原子的CAS操作将Displaced Mark Word替换回到对象头。如果成功，则表示没有竞争发生；如果失败，表示当前锁存在竞争，锁就会膨胀成重量级锁。
4 重量级锁
什么情况下轻量级锁要升级为重量级锁呢？
首先我们可以思考的是多个线程的时候先开启轻量级锁，如果它carry不了的情况下才会升级为重量级。那么什么情况下轻量级锁会carry不住。1、如果线程数太多，比如上来就是10000个，那么这里CAS要转多久才可能交换值，同时CPU光在这10000个活着的线程中来回切换中就耗费了巨大的资源，这种情况下自然就升级为重量级锁，直接叫给操作系统入队管理，那么就算10000个线程那也是处理休眠的情况等待排队唤醒。2、CAS如果自旋10次依然没有获取到锁，那么也会升级为重量级。
总的来说2种情况会从轻量级升级为重量级，10次自旋或等待cpu调度的线程数超过cpu核数的一半，自动升级为重量级锁。看服务器CPU的核数怎么看，输入top指令，然后按1就可以看到。
轻量级锁替换失败到达一定次数（默认为10）后，轻量级锁升级为重量级锁。如果线程2自旋期间，有线程3也需要访问同步方法，则立刻由轻量级锁膨胀为重量级锁。
java1.6中，引入了自适应自旋锁，自适应意味着自旋 的次数不是固定不变的，而是根据前一次在同一个锁上自 旋的时间以及锁的拥有者的状态来决定。 如果在同一个锁对象上，自旋等待刚刚成功获得过锁，并且持有锁的线程正在运行中，那么虚拟机就会认为这次自旋也是很有可能再次成功，进而它将允许自旋等待持续相对更长的时间。
因为自旋会消耗CPU，为了避免无用的自旋（比如获得锁的线程被阻塞住了），一旦锁升级成重量级锁，就不会再恢复到轻量级锁状态。当锁处于这个状态下，其他线程试图获取锁时，都会被阻塞住，当持有锁的线程释放锁之后会唤醒这些线程，被唤醒的线程就会进行新一轮的夺锁之争。
5 锁的优缺点对比
锁 | 优点 | 缺点 | 适用场景 |
偏向锁 | 加锁和解锁不需要额外的消耗，和执行非同步方法相比仅存在纳秒级的差距 | 如果线程间存在锁竞争，会带来额外的锁撤销的消耗 | 适用于只有一个线程访问同步块场景 |
轻量级锁 | 竞争的线程不会阻塞，提高了程序的响应速度 | 如果始终得不到锁竞争的线程，使用自旋会消耗CPU | 追求响应时间，同步块执行速度非常快 |
重量级锁 | 线程竞争不使用自旋，不会消耗CPU | 线程阻塞，响应时间缓慢 | 追求吞吐量，同步块执行速度较长 |
6 面试应答
Java中为了提高锁的性能，对锁进行了分类，使它们分别适用于不同的场景。
偏向锁
- 获取锁：偏向锁是最低等级的锁，当第一个线程进入同步代码块时，对象头的Mark Word中锁的类型就是偏向锁，同时Mark Word中存储指向当前获取锁的线程的ID，表示该线程获取了锁。
- 释放（升级）锁：当另一个线程访问同步代码块时，等当前线程执行完同步代码，锁会被释放并升级为轻量级锁；如果没有线程访问，线程会一直持有锁。
- 应用场景：偏向锁适用于单线程的场景。一个线程频繁的获取锁时，不需要使用CAS操作来加锁和解锁，只要判断Mark Word中的线程ID是不是自己的ID即可，这和执行非同步方法的效率差不多。
轻量级锁
- 获取锁：线程在执行同步代码块前，会先将对象头中的Mark Word复制到自己的栈帧中。然后使用CAS操作将对象头中的Mark Word变成指向自己栈帧中Mark Word的指针，修改成功便获得锁，失败就说明有竞争，然后通过自旋来获取锁。
- 释放锁：通过CAS操作将自己栈帧中的Mark Word替换会对象头的Mark Word中，如果失败，表示锁存在竞争，锁会膨胀成重量级锁；成功就说明没竞争。问题：为什么释放锁还会失败？？？？？又不是有多个线程一起释放。我的理解是轻量级锁中，当前线程释放锁并不是其它线程获取锁的充分条件
- 应用场景：适用于同步代码执行时间较短的场景，响应速度快。因为竞争的线程是通过自旋来继续竞争锁，不会阻塞，所以持有锁的线程快速执行完后能立即切换到自旋线程执行，避免了阻塞情况下的线程切换。
重量级锁
- 获取锁：同轻量级锁，不过失败时会直接阻塞，不是自旋。
- 释放锁：
- 应用场景：适用于同步代码执行时间长的场景，吞吐量高（能接受很多的请求，不过大部分都是阻塞状态）。
