一、锁对象

Java中没一个对象都可以作为锁。具体的表现形式为以下三种：

对于普通同步方法，锁是当前实例对象。
对于静态同步方法，锁是当前类Class对象。
对于同步方法阔，锁是括号里面的对象。

在JVM规范中可以看到Synchronized在JVM里的实现原理，JVM基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步，但两者实现细节不同，代码块同步是使用monitorenter和monitorexit指令来实现的，而方法同步是另外一种方式实现的。

monitorenter指令是在编译后插入到同步代码块的开始位置，而monitorexit是插入到方法结束处和异常处，JVM要保证每个monitorentor必须有对应的monitorexit与之配对。任何对象都有一个monitor与之关联，当且一个monitor被持有后，它将处于锁定状态。线程执行到monitorenter指令时，将会尝试获取对象所对应的monitor的所有权，即尝试获取对象的锁。

二、Java对象头

synchronized用的锁是存在Java对象头里的。如果对象是数组类型，则虚拟机用3个字宽（Word）存储对象头，如果对象是非数组类型，则用2个字宽存储对象头。

Java对象头里的Mark Word里默认存储对象的HashCode、分代年龄和锁标志位。

在32位虚拟机中，1字宽等于4字节，即32bit，如下表所示：

在运行期间，Mark Word里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。Mark Word可能变化为存储以下4种数据：

Mark Word的状态变化

在64位虚拟机中，1字宽等于8字节，即64bit。

三、锁的优化

Java SE 1.6为了减少获取锁和释放锁带来的消耗，引入了“偏向锁”和“轻量级锁”，在Java SE 1.6中，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。锁可以升级但不能降级，目的是为了提供获得锁和释放锁的效率。

1. 偏向锁

HotSpot的作者经研究发现，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，从而引入了偏向锁。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，只需要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，则要再测试一下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，则尝试使用CAS将对象头的偏向锁指向当前线程。

（1）偏向锁的撤销

偏向锁使用了一种等到竞争出现才释放锁的机制。偏向锁的撤销，需要等待全局安全点（没有正在执行的字节码）。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动，如果不处于活动状态，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，便利偏向对象的锁记录，栈中的锁记录和对象头的Mark Word要么重新偏向于其它线程，要么恢复到无锁或者标记对象不适合作为偏向锁，最后唤醒线程。

（2）关闭偏向锁

偏向锁可通过：-XX:-UseBiasedLocking=false来关闭偏向锁，程序默认进入轻量级锁状态。

2. 轻量级锁

（1）轻量级锁加锁

线程在执行同步块之前，JVM会先在当前线程的栈帧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，表示其它线程竞争锁，当前线程便尝试使用自旋来获取锁。

（2）轻量级锁解锁

轻量级锁解锁时，会使用原子的CAS操作将Displaced Mard 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。

因为自旋会消耗CPU，为了避免无用自旋，一旦升级为重量级锁，就不会再回复到轻量级锁。

3. 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
轻量级锁	竞争的线程不会组设，提供了程序的响应速度	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	线程竞争不适用自旋，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