Synchronized实现原理

一个对象在内存中分为对象头，实例变量，和对其填充。
实例变量是用来存本对象的属性信息，对其填充使该对象保持占用8字节的整数倍。

那对象头具体是什么呢？

对象头分为三部分：MarkWord，指向类的指针，数组长度（只有数组对象才有）。

那么问题就来了，MarkWord是什么？
MarkWord存了对象跟锁有关的信息。这就是今天我们要讲的内容。

具体见下图，64位虚拟机时。

首先我们看重量级锁，标志为是10.储存了指向监视器monitor对象的指针，monitor对象是有C+实现的，结构如下：

ObjectMonitor() {
    _count        = 0; //用来记录该对象被线程获取锁的次数
    _waiters      = 0;
    _recursions   = 0; //锁的重入次数
    _owner        = NULL; //指向持有ObjectMonitor对象的线程 
    _WaitSet      = NULL; //处于wait状态的线程，会被加入到_WaitSet
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _EntryList    = NULL ; //处于等待锁block状态的线程，会被加入到该列表
  }

首先，所有并发获取锁的线程id会被放入_EntryList里，当一个线程获取到锁时，将自己的对象头里的重量级锁指向该monitor对象，并将monitor对象里_owner指向自己，将monitor里的_count加1.
这时如果该对象调用wait()方法，则将monitor中_count 减1，将_owner置为null。并将该线程ID放入_waitSet里，等待唤醒。
当线程执行完毕也进入waiting状态，也释放monitor对象，同上。

那么锁是升级的过程是怎样的？MarkWord是怎么变化的？

1.无锁状态：首先，当对象没有被当初一个锁时，此时MarkWord记录着对象的hashcode,锁标志为为01，是否偏向为0。

2.偏向锁状态：当线程A使用该对象加锁时，MarkWord中将记录该线程的ID，并将是否偏向改为1。即此时使用偏向锁。

当某线程再次获取该锁时，会比较线程ID和MarkWord中的线程ID是否一致，如一致则再次获取锁，若不一致说明有竞争，不过由于偏向锁并不会主动释放锁，所以会使用CAS获取锁，获取成功则该线程获取到锁，将MarkWord中的线程ID改为自己ID。锁CAS获取锁失败，进入步骤3.

3.轻量级锁状态：进入此步骤说明，有多个线程竞争同一个锁，那么将在锁升级为轻量级锁。
升级过程是，在线程中开辟锁记录空间（Lock Record）,用户储存MarkWord的拷贝，并将MarkWord和Lock Record相互指向，此操作为CAS操作。将MarkWord锁标志置为00。
如果CAS成功，说明此线程获取到轻量级锁。若失败，进入步骤4.

4.自旋锁：自旋锁不是一种锁状态，而是一种策略。由于此时需要阻塞没有拿到锁的线程。不过阻塞线程需要CPU从用户态转为内核态，开销较大。如果下一刻就可以拿到锁了，一没拿到锁就进入内核态很显然是不合适的。所以，此时使用自旋来减少开销。自旋一段时间成功获得锁，则仍在轻量级锁状态。否则轻量级锁膨胀为重量级锁。即步骤5.

5.重量级锁状态：将锁标志为置为10，将MarkWord中指针指向重量级所monitor。并阻塞所有没有获取到锁的线程。

总结：

锁的升级过程是对锁的开销进行的尽可能的优化。首先无锁状态和偏向锁使用简单的标志位来判断锁的持有，避免CAS的开销。当已经使用偏向锁时，才使用CAS获取锁。当CAS失败时，进行生成栈中的锁记录空间，与MarkWord的拷贝与相互指向，升级成轻量级锁，若该CAS操作失败，开始使用自旋避免CPU频繁的上下文切换的开销。自旋失败，才升级为重量级锁。