【转载】synchronized锁的升级过程
在之前的两篇文章中，介绍了synchronized的一些用法以及原理，但是同时也提到了一个问题，就是synchronized实际上是一种重量级的锁，本身很笨重，因为synchronized是互斥的，所以在切换线程的时候，线程上下文切换会引起大量的性能开销。也正是因为这个性能原因饱受诟病，因此在jdk1.6之后，更改了synchronized的设计，有了锁的升级过程，以减少性能的开销。
另外。本文是转载文，标题已经标明，且大多摘自这篇文章的精华部分。个人认为是全网写锁的升级过程写的最详细的一篇文章
https://www.cnblogs.com/JonaLin/p/11571482.html#autoid-4-0-0
- 首先用一张图片来说明一下整个锁的升级过程
锁一共有四种状态，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，这几个状态随着竞争情况逐渐升级。为了提高获得锁和释放锁的效率，锁可以升级但不能降级，意味着偏向锁升级为轻量级锁后不能降级为偏向锁。
偏向锁
- 偏向锁是指一段同步代码一直被一个线程所访问，那么该线程会自动获取锁，降低获取锁的代价。
- 在大多数情况下，锁总是由同一线程多次获得，不存在多线程竞争，所以出现了偏向锁。其目标就是在只有一个线程执行同步代码块时能够提高性能。
- 当一个线程访问同步代码块并获取锁时，会在Mark Word里存储锁偏向的线程ID。在线程进入和退出同步块时不再通过CAS操作来加锁和解锁，而是检测Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。引入偏向锁是为了在无多线程竞争的情况下尽量减少不必要的轻量级锁执行路径，因为轻量级锁的获取及释放依赖多次CAS原子指令，而偏向锁只需要在置换ThreadID的时候依赖一次CAS原子指令即可。
- 偏向锁只有遇到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，线程不会主动释放偏向锁。偏向锁的撤销，需要等待全局安全点（在这个时间点上没有字节码正在执行），它会首先暂停拥有偏向锁的线程，判断锁对象是否处于被锁定状态。撤销偏向锁后恢复到无锁（标志位为“01”）或轻量级锁（标志位为“00”）的状态。
- 偏向锁在JDK 6及以后的JVM里是默认启用的。可以通过JVM参数关闭偏向锁：-XX:-UseBiasedLocking=false，关闭之后程序默认会进入轻量级锁状态
轻量级锁
- 当锁是偏向锁的时候，被另外的线程所访问，偏向锁就会升级为轻量级锁，其他线程会通过自旋的形式尝试获取锁，不会阻塞，从而提高性能。
- 在代码进入同步块的时候，如果同步对象锁状态为无锁状态（锁标志位为“01”状态，是否为偏向锁为“0”），虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝，然后拷贝对象头中的Mark Word复制到锁记录中。
- 拷贝成功后，虚拟机将使用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针，并将Lock Record里的owner指针指向对象的Mark Word。
- 如果这个更新动作成功了，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象Mark Word的锁标志位设置为“00”，表示此对象处于轻量级锁定状态。
- 如果轻量级锁的更新操作失败了，虚拟机首先会检查对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果是就说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那就可以直接进入同步块继续执行，否则说明多个线程竞争锁。
- 若当前只有一个等待线程，则该线程通过自旋进行等待。但是当自旋超过一定的次数，或者一个线程在持有锁，一个在自旋，又有第三个来访时，轻量级锁升级为重量级锁。
- 多个线程在不同的时间段请求同一把锁，也就是说没有锁竞争。针对这种情形，Java 虚拟机采用了轻量级锁，来避免重量级锁的阻塞以及唤醒
- 在没有锁竞争的前提下，减少传统锁使用OS互斥量产生的性能损耗
- 在竞争激烈时，轻量级锁会多做很多额外操作，导致性能下降
- 可以认为两个线程交替执行的情况下请求同一把锁
重量锁
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多个线程竞争同一个锁的时候，虚拟机会阻塞加锁失败的线程，并且在目标锁被释放的时候，唤醒这些线程；
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Java 线程的阻塞以及唤醒，都是依靠操作系统来完成的：os pthread_mutex_lock() ；
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升级为重量级锁时，锁标志的状态值变为“10”，此时Mark Word中存储的是指向重量级锁的指针，此时等待锁的线程都会进入阻塞状态
总结
锁升级过程，一开始是偏向锁，如果有其他线程来竞争，升级到自旋锁，当自旋次数超过十次之后还没有获得锁，意味着竞争非常激烈，升级到重量锁。重量锁就是互斥锁。自旋锁就是反复的去获取，有点像CAS中的反复判断,类似你追一个女的，期间她一直有男朋友，轮不到你（上锁）一直等待她（资源）接受你为止（你获得了她的锁）。
