锁的升级
锁的升级
Java SE 1.6 为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗，引入了偏向锁和轻量级锁，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。这种锁升级却不能降级的策略，目的是为了提高获得锁和释放锁的效率。
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偏向锁只会在第一次请求时采用 CAS 操作，在锁对象的标记字段中记录下当前线程的地址。在之后的运行过程中，持有该偏向锁的线程的加锁操作将直接返回。它针对的是锁仅会被同一线程持有的情况。
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轻量级锁采用 CAS 操作，将锁对象的标记字段替换为一个指针，指向当前线程栈上的一块空间，存储着锁对象原本的标记字段。它针对的是多个线程在不同时间段申请同一把锁的情况。
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重量级锁会阻塞、唤醒请求加锁的线程。它针对的是多个线程同时竞争同一把锁的情况。Java 虚拟机采取了自适应自旋，来避免线程在面对非常小的 synchronized 代码块时，仍会被阻塞、唤醒的情况。
不同级别锁的优缺点对比如下：
| 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,锁占用时间很短 |
| 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,锁占用时间较长 |
偏向锁
多数情况下，锁不会存在竞争，而是同一个线程多次获得。当某个线程访问同步块代码时，会将锁对象和栈帧中的锁记里存储锁偏向的线程 ID，以后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，只需简单比对一下对象头中的 MarkWord 里的线程 ID，如果一致则表示线程获得锁。若不一致，再继续测试偏向锁的标识是否为 1：如果没有设置(无锁状态)，用 CAS(Compare and Swap)竞争锁；如果设置了，尝试使用 CAS 将对象头的偏向锁指向当前线程。
当有另一个线程尝试竞争锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁。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，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。
Java 6，7 默认开启偏向锁，可以通过 JVM 的参数 -XX:-UsebiasedLocking=false 关闭。
轻量级锁
加锁的流程中，锁记录存储在栈桢，会将对象头的 MarkWord 复制到锁记录。线程在执行同步块时，会尝试用 CAS 将对象头的 MarkWord 替换为指向锁记录的指针，若成功，获得锁；失败表示其他线程竞争锁，当前线程尝试使用自旋获取锁。解锁的流程中，类似于加锁反向操作，会将锁记录复制会对象头的 MarkWord。若成功，表示操作过程中没有竞争发生；若失败，存在竞争，锁会膨胀成重量级锁。
当膨胀到重量级锁时，不会再通过自选获得锁(自旋时线程处于活动状态，会消耗 CPU)，而是将线程阻塞，获得锁的线程执行完后会释放重量级锁，此时唤醒因为锁阻塞的线程，进行新一轮的竞争。