面试题：synchronized的底层实现（偏向锁，轻量级锁，重量级锁）

JDK1.6之前的synchronized是重量级锁，其锁的获得和释放会带来较大的性能消耗。在JDK1.6中，为了锁带来的性能消耗，引入了偏向锁和轻量级锁，并精心设计了锁的膨胀策略。

轻量级锁是在无竞争的情况下使用CAS操作消除同步使用的互斥量，而偏向锁是在无竞争的情况下把整个同步操作都消除掉，连CAS操作都不做。

关于对象头和其中的Mark Word的知识，不了解的自行补充，这里只放两张图

偏向锁

在Mark Word中，有一个1bit的偏向模式标记，如果是1，表示对象是在偏向模式，如果是0，表示对象不是偏向模式。当对象刚创建时，处于默认的未锁定状态，在此状态中锁标志位=01，偏向模式=0。当锁对象第一次被线程获取的时候，虚拟机会将其对象头中Mark Word设置为锁标志位=01，偏向模式=1，表示进入偏向模式。同时使用CAS操作把得到这个锁的线程的ID记录在锁对象的Mark Word中。如果CAS成功，持有偏向锁的线程以后每次进入这个锁相关的同步块时，虚拟机都可以不再直接进行任何同步操作（例如加锁、解锁及对Mark Word的更新操作等），只需判断对象是否处于偏向锁状态且Mark Word中的线程ID是否是自己，如果是就直接进入。

偏向锁使用了一种等到竞争出现才释放锁的机制，所以当其他线程尝试获得这个对象的锁时，持有这个对象偏向锁的线程才会释放锁。这时候虚拟机就要干活了，它首先根据对象目前是否处于被锁定状态决定是否撤销偏向（偏向模式=0），撤销后将标志位恢复到未锁定或轻量级锁定状态。

轻量级锁

在代码进入同步块的时候，如果同步对象没有被锁定（锁标志=01），虚拟机首先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，虚拟机将使用CAS操作尝试把Mark Word更新为指向当前线程锁记录的指针，如果成功了，即代表该线程拥有了这个对象的锁，并将对象头中的锁标志设为“00”，表示此对象处于轻量级锁定状态。如果CAS失败，说明对象已经被锁了，那就要继续判断锁这个对象的是谁，如果是当前线程锁的（即Mark Word中的指针指向当前线程的栈帧），那就直接进入同步代码块，如果是别的对象锁的，说明这个对象的锁被其他线程抢占了，此时轻量级锁将不再有效，会膨胀为重量级锁。膨胀为重量级锁后Mark Word中存储的是指向系统互斥量的指针，后面等待锁的线程必须进入阻塞状态。

重量级锁

对象头会关联到一个monitor对象，即监视器对象。此外synchronized关键字经过Javac编译后，会在同步块的前后分别形成monitorenter和monitorexit这个两个字节码指令。下面来看一下synchronized的执行过程：

假设此时锁对象没有被锁定，当线程进入同步块的时候，遇到monitorenter，就会获取当前对象的一个所有权，这个时候monitor进入数为1，当前的这个线程就是这个monitor的owner。
如果该线程已经是这个monitor的owner了，它再次进入，就会把进入数+1。（可重入性）
当该线程执行完monitorexit，对应的进入数就-1，直到为0，才可以被其他线程持有。
如果对象已经被锁定且owner不是该线程，该线程就进入阻塞状态。

为什么称之为重量级锁呢，关键就是“阻塞”这两个字。Java线程是映射到操作系统的原生内核线程之上的，如果要阻塞或唤醒一个线程，则需要操作系统来帮忙完成，这就要从用户态转换为内核态，这会耗费很多的处理器时间。尤其是对于很简单的同步块，状态转换消耗的时间甚至比用户代码本身的执行时间还要长，这是得不偿失的。

自旋锁

为了尽可能地避免阻塞线程，当线程申请锁而不可得时，不要立即进入阻塞状态，而是“稍等一会儿”。这时候该该线程不会释放CPU，执行一个忙循环（自旋）。自旋是有次数限制的，因为不能“占着CPU不计算”。如果在限制次数内成功获得了锁，就很舒服，因为避免了开销呀。相反，如果自旋超过了限制次数还没有获得锁，那只能乖乖进入阻塞状态了。这个限制次数，是可以通过参数修改的，默认是10次。

参考文章

死磕synchronized底层实现