偏向锁，轻量级锁，重量级锁

markword

在介绍java锁之前，先说下什么是markword，markword是java对象数据结构中的一部分，要详细了解java对象的结构可以点击这里,这里只做markword的详细介绍，因为对象的markword和java各种类型的锁密切相关；
markword数据的长度在32位和64位的虚拟机（未开启压缩指针）中分别为32bit和64bit，它的最后2bit是锁状态标志位，用来标记当前对象的状态，对象的所处的状态，决定了markword存储的内容，如下表所示:

偏向锁

偏向锁，顾名思义，它会偏向于第一个访问锁的线程，如果在运行过程中，同步锁只有一个线程访问，不存在多线程争用的情况，则线程是不需要触发同步的，减少加锁／解锁的一些CAS操作（比如等待队列的一些CAS操作），这种情况下，就会给线程加一个偏向锁。 如果在运行过程中，遇到了其他线程抢占锁，则持有偏向锁的线程会被挂起，JVM会消除它身上的偏向锁，将锁恢复到标准的轻量级锁。它通过消除资源无竞争情况下的同步原语，进一步提高了程序的运行性能。
1、实现
偏向锁获取过程：
a、访问Mark Word中偏向锁的标识是否设置成1，锁标志位是否为01，确认为可偏向状态。
b、如果为可偏向状态，则测试线程ID是否指向当前线程，如果是，进入步骤5，否则进入步骤3。
c、如果线程ID并未指向当前线程，则通过CAS操作竞争锁。如果竞争成功，则将Mark Word中线程ID设置为当前线程ID，然后执行5；如果竞争失败，执行4。
d、如果CAS获取偏向锁失败，则表示有竞争。当到达全局安全点（safepoint）时获得偏向锁的线程被挂起，偏向锁升级为轻量级锁，然后被阻塞在安全点的线程继续往下执行同步代码。（撤销偏向锁的时候会导致stop the word）
e、执行同步代码。
注意：第四步中到达安全点safepoint会导致stop the word，时间很短。
2、偏向锁的释放
偏向锁的撤销在上述第四步骤中有提到。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，线程不会主动去释放偏向锁。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未锁定（标志位为“01”）或轻量级锁（标志位为“00”）的状态。
3、偏向锁的适用场景
始终只有一个线程在执行同步块，在它没有执行完释放锁之前，没有其它线程去执行同步块，在锁无竞争的情况下使用，一旦有了竞争就升级为轻量级锁，升级为轻量级锁的时候需要撤销偏向锁，撤销偏向锁的时候会导致stop the word操作；
在有锁的竞争时，偏向锁会多做很多额外操作，尤其是撤销偏向所的时候会导致进入安全点，安全点会导致stw，导致性能下降，这种情况下应当禁用；
4、查看停顿–安全点停顿日志
要查看安全点停顿，可以打开安全点日志，通过设置JVM参数 -XX:+PrintGCApplicationStoppedTime 会打出系统停止的时间，添加-XX:+PrintSafepointStatistics -XX:PrintSafepointStatisticsCount=1 这两个参数会打印出详细信息，可以查看到使用偏向锁导致的停顿，时间非常短暂，但是争用严重的情况下，停顿次数也会非常多；
注意：安全点日志不能一直打开：

1. 安全点日志默认输出到stdout，一是stdout日志的整洁性，二是stdout所重定向的文件如果不在/dev/shm，可能被锁。
2. 对于一些很短的停顿，比如取消偏向锁，打印的消耗比停顿本身还大。
3. 安全点日志是在安全点内打印的，本身加大了安全点的停顿时间。
   所以安全日志应该只在问题排查时打开。
   如果在生产系统上要打开，再再增加下面四个参数：
   -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX: -DisplayVMOutput -XX:+LogVMOutput -XX:LogFile=/dev/shm/vm.log
   打开Diagnostic（只是开放了更多的flag可选，不会主动激活某个flag），关掉输出VM日志到stdout，输出到独立文件,/dev/shm目录（内存文件系统）。
   
   此日志分三部分：
   第一部分是时间戳，VM Operation的类型
   第二部分是线程概况，被中括号括起来
   total: 安全点里的总线程数
   initially_running: 安全点时开始时正在运行状态的线程数
   wait_to_block: 在VM Operation开始前需要等待其暂停的线程数
   第三部分是到达安全点时的各个阶段以及执行操作所花的时间，其中最重要的是vmop
   spin: 等待线程响应safepoint号召的时间；
   block: 暂停所有线程所用的时间；
   sync: 等于 spin+block，这是从开始到进入安全点所耗的时间，可用于判断进入安全点耗时；
   cleanup: 清理所用时间；
   vmop: 真正执行VM Operation的时间。
   可见，那些很多但又很短的安全点，全都是RevokeBias， 高并发的应用会禁用掉偏向锁。
   5、jvm开启/关闭偏向锁
   开启偏向锁：-XX:+UseBiasedLocking -XX:BiasedLockingStartupDelay=0
   关闭偏向锁：-XX:-UseBiasedLocking

轻量级锁

轻量级锁是由偏向所升级来的，偏向锁运行在一个线程进入同步块的情况下，当第二个线程加入锁争用的时候，偏向锁就会升级为轻量级锁；
1、轻量级锁的加锁过程
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，官方称之为 Displaced Mark Word。这时候线程堆栈与对象头的状态如图：

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object mark word。如果更新成功，则执行步骤4，否则执行步骤5。
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”，即表示此对象处于轻量级锁定状态，这时候线程堆栈与对象头的状态如图所示。

如果这个更新操作失败了，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，轻量级锁就要膨胀为重量级锁，锁标志的状态值变为“10”，Mark Word中存储的就是指向重量级锁（互斥量）的指针，后面等待锁的线程也要进入阻塞状态。 而当前线程便尝试使用自旋来获取锁，自旋就是为了不让线程阻塞，而采用循环去获取锁的过程。
2、轻量级锁的释放
释放锁线程视角：由轻量锁切换到重量锁，是发生在轻量锁释放锁的期间，之前在获取锁的时候它拷贝了锁对象头的markword，在释放锁的时候如果它发现在它持有锁的期间有其他线程来尝试获取锁了，并且该线程对markword做了修改，两者比对发现不一致，则切换到重量锁。
因为重量级锁被修改了，所有display mark word和原来的markword不一样了。
怎么补救，就是进入mutex前，compare一下obj的markword状态。确认该markword是否被其他线程持有。
此时如果线程已经释放了markword，那么通过CAS后就可以直接进入线程，无需进入mutex，就这个作用。
尝试获取锁线程视角：如果线程尝试获取锁的时候，轻量锁正被其他线程占有，那么它就会修改markword，修改重量级锁，表示该进入重量锁了。
还有一个注意点：等待轻量锁的线程不会阻塞，它会一直自旋等待锁，并如上所说修改markword。
这就是自旋锁，尝试获取锁的线程，在没有获得锁的时候，不被挂起，而转而去执行一个空循环，即自旋。在若干个自旋后，如果还没有获得锁，则才被挂起，获得锁，则执行代码。

重量级锁（Synchronized）

1、Synchronized的作用
在JDK1.5之前都是使用synchronized关键字保证同步的，Synchronized的作用相信大家都已经非常熟悉了；
它可以把任意一个非NULL的对象当作锁。
作用于方法时，锁住的是对象的实例(this)；
当作用于静态方法时，锁住的是Class实例，又因为Class的相关数据存储在永久带PermGen（jdk1.8则是metaspace），永久带是全局共享的，因此静态方法锁相当于类的一个全局锁，会锁所有调用该方法的线程；
synchronized作用于一个对象实例时，锁住的是所有以该对象为锁的代码块。
2、Synchronized的实现
实现如下图所示；

它有多个队列，当多个线程一起访问某个对象监视器的时候，对象监视器会将这些线程存储在不同的容器中。
Contention List：竞争队列，所有请求锁的线程首先被放在这个竞争队列中；
Entry List：Contention List中那些有资格成为候选资源的线程被移动到Entry List中；
Wait Set：哪些调用wait方法被阻塞的线程被放置在这里；
OnDeck：任意时刻，最多只有一个线程正在竞争锁资源，该线程被成为OnDeck；
Owner：当前已经获取到所资源的线程被称为Owner；
!Owner：当前释放锁的线程。
JVM每次从队列的尾部取出一个数据用于锁竞争候选者（OnDeck），但是并发情况下，ContentionList会被大量的并发线程进行CAS访问，为了降低对尾部元素的竞争，JVM会将一部分线程移动到EntryList中作为候选竞争线程。Owner线程会在unlock时，将ContentionList中的部分线程迁移到EntryList中，并指定EntryList中的某个线程为OnDeck线程（一般是最先进去的那个线程）。Owner线程并不直接把锁传递给OnDeck线程，而是把锁竞争的权利交给OnDeck，OnDeck需要重新竞争锁。这样虽然牺牲了一些公平性，但是能极大的提升系统的吞吐量，在JVM中，也把这种选择行为称之为“竞争切换”。
OnDeck线程获取到锁资源后会变为Owner线程，而没有得到锁资源的仍然停留在EntryList中。如果Owner线程被wait方法阻塞，则转移到WaitSet队列中，直到某个时刻通过notify或者notifyAll唤醒，会重新进去EntryList中。
处于ContentionList、EntryList、WaitSet中的线程都处于阻塞状态，该阻塞是由操作系统来完成的（Linux内核下采用pthread_mutex_lock内核函数实现的）。
3、Synchronized是非公平锁
Synchronized在线程进入ContentionList时，等待的线程会先尝试自旋获取锁，如果获取不到就进入ContentionList，这明显对于已经进入队列的线程是不公平的，还有一个不公平的事情就是自旋获取锁的线程还可能直接抢占OnDeck线程的锁资源。

总结

上面几种锁都是JVM自己内部实现，当我们执行synchronized同步块的时候jvm会根据启用的锁和当前线程的争用情况，决定如何执行同步操作；
在所有的锁都启用的情况下线程进入临界区时会先去获取偏向锁，如果已经存在偏向锁了，则会尝试获取轻量级锁，如果以上两种都失败，则启用自旋锁，如果自旋也没有获取到锁，则使用重量级锁，没有获取到锁的线程阻塞挂起，直到持有锁的线程执行完同步块唤醒他们；
偏向锁是在无锁争用的情况下使用的，也就是同步开在当前线程没有执行完之前，没有其它线程会执行该同步快，一旦有了第二个线程的争用，偏向锁就会升级为轻量级锁，一点有两个以上线程争用，就会升级为重量级锁；
如果线程争用激烈，那么应该禁用偏向锁。