何為同步？JVM規范規定JVM基於進入和退出Monitor對象來實現方法同步和代碼塊同步，但兩者的實現細節不一樣。代碼塊同步是使用monitorenter和monitorexit指令實現，而方法同步是使用另外一種方式實現的，細節在JVM規范里並沒有詳細說明，但是方法的同步同樣可以使用這兩個指令來實現。monitorenter指令是在編譯后插入到同步代碼塊的開始位置，而monitorexit是插入到方法結束處和異常處， JVM要保證每個monitorenter必須有對應的monitorexit與之配對。任何對象都有一個 monitor 與之關聯，當且一個monitor 被持有后，它將處於鎖定狀態。線程執行到 monitorenter 指令時，將會嘗試獲取對象所對應的 monitor 的所有權，即嘗試獲得對象的鎖。
Java對象頭
鎖存在Java對象頭里。如果對象是數組類型，則虛擬機用3個Word（字寬）存儲對象頭，如果對象是非數組類型，則用2字寬存儲對象頭。在32位虛擬機中，一字寬等於四字節，即32bit。
| 長度 | 內容 | 說明 |
|---|---|---|
| 32/64bit | Mark Word | 存儲對象的hashCode或鎖信息等 |
| 32/64bit | Class Metadata Address | 存儲到對象類型數據的指針 |
| 32/64bit | Array length | 數組的長度（如果當前對象是數組） |
Java對象頭里的Mark Word里默認存儲對象的HashCode，分代年齡和鎖標記位。32位JVM的Mark Word的默認存儲結構如下：
| 25 bit | 4bit | 1bit 是否是偏向鎖 |
2bit 鎖標志位 |
|
|---|---|---|---|---|
| 無鎖狀態 | 對象的hashCode | 對象分代年齡 | 0 | 01 |
在運行期間Mark Word里存儲的數據會隨着鎖標志位的變化而變化。Mark Word可能變化為存儲以下4種數據：
幾種鎖的類型
線程的阻塞和喚醒需要CPU從用戶態轉為核心態，頻繁的阻塞和喚醒對CPU來說是一件負擔很重的工作。
Java SE1.6為了減少獲得鎖和釋放鎖所帶來的性能消耗，引入了“偏向鎖”和“輕量級鎖”，所以在Java SE1.6里鎖一共有四種狀態，無鎖狀態，偏向鎖狀態，輕量級鎖狀態和重量級鎖狀態，它會隨着競爭情況逐漸升級。鎖可以升級但不能降級，意味着偏向鎖升級成輕量級鎖后不能降級成偏向鎖。這種鎖升級卻不能降級的策略，目的是為了提高獲得鎖和釋放鎖的效率。
偏向鎖
大多數情況下鎖不僅不存在多線程競爭，而且總是由同一線程多次獲得。偏向鎖的目的是在某個線程獲得鎖之后，消除這個線程鎖重入（CAS）的開銷，看起來讓這個線程得到了偏護。另外，JVM對那種會有多線程加鎖，但不存在鎖競爭的情況也做了優化，聽起來比較拗口，但在現實應用中確實是可能出現這種情況，因為線程之前除了互斥之外也可能發生同步關系，被同步的兩個線程（一前一后）對共享對象鎖的競爭很可能是沒有沖突的。對這種情況，JVM用一個epoch表示一個偏向鎖的時間戳（真實地生成一個時間戳代價還是蠻大的，因此這里應當理解為一種類似時間戳的identifier）
偏向鎖的獲取
當一個線程訪問同步塊並獲取鎖時，會在對象頭和棧幀中的鎖記錄里存儲鎖偏向的線程ID，以后該線程在進入和退出同步塊時不需要花費CAS操作來加鎖和解鎖，而只需簡單的測試一下對象頭的Mark Word里是否存儲着指向當前線程的偏向鎖，如果測試成功，表示線程已經獲得了鎖，如果測試失敗，則需要再測試下Mark Word中偏向鎖的標識是否設置成1（表示當前是偏向鎖），如果沒有設置，則使用CAS競爭鎖，如果設置了，則嘗試使用CAS將對象頭的偏向鎖指向當前線程。
偏向鎖的撤銷
偏向鎖使用了一種等到競爭出現才釋放鎖的機制，所以當其他線程嘗試競爭偏向鎖時，持有偏向鎖的線程才會釋放鎖。偏向鎖的撤銷，需要等待全局安全點（在這個時間點上沒有字節碼正在執行），它會首先暫停擁有偏向鎖的線程，然后檢查持有偏向鎖的線程是否活着，如果線程不處於活動狀態，則將對象頭設置成無鎖狀態，如果線程仍然活着，擁有偏向鎖的棧會被執行，遍歷偏向對象的鎖記錄，棧中的鎖記錄和對象頭的Mark Word，要么重新偏向於其他線程，要么恢復到無鎖或者標記對象不適合作為偏向鎖，最后喚醒暫停的線程。
偏向鎖的設置
關閉偏向鎖：偏向鎖在Java 6和Java 7里是默認啟用的，但是它在應用程序啟動幾秒鍾之后才激活，如有必要可以使用JVM參數來關閉延遲-XX：BiasedLockingStartupDelay = 0。如果你確定自己應用程序里所有的鎖通常情況下處於競爭狀態，可以通過JVM參數關閉偏向鎖-XX:-UseBiasedLocking=false，那么默認會進入輕量級鎖狀態。
自旋鎖
線程的阻塞和喚醒需要CPU從用戶態轉為核心態，頻繁的阻塞和喚醒對CPU來說是一件負擔很重的工作。同時我們可以發現，很多對象鎖的鎖定狀態只會持續很短的一段時間，例如整數的自加操作，在很短的時間內阻塞並喚醒線程顯然不值得，為此引入了自旋鎖。
所謂“自旋”，就是讓線程去執行一個無意義的循環，循環結束后再去重新競爭鎖，如果競爭不到繼續循環，循環過程中線程會一直處於running狀態，但是基於JVM的線程調度，會出讓時間片，所以其他線程依舊有申請鎖和釋放鎖的機會。
自旋鎖省去了阻塞鎖的時間空間（隊列的維護等）開銷，但是長時間自旋就變成了“忙式等待”，忙式等待顯然還不如阻塞鎖。所以自旋的次數一般控制在一個范圍內，例如10,100等，在超出這個范圍后，自旋鎖會升級為阻塞鎖。
輕量級鎖
加鎖
線程在執行同步塊之前，JVM會先在當前線程的棧楨中創建用於存儲鎖記錄的空間，並將對象頭中的Mark Word復制到鎖記錄中，官方稱為Displaced Mark Word。然后線程嘗試使用CAS將對象頭中的Mark Word替換為指向鎖記錄的指針。如果成功，當前線程獲得鎖，如果失敗，則自旋獲取鎖，當自旋獲取鎖仍然失敗時，表示存在其他線程競爭鎖(兩條或兩條以上的線程競爭同一個鎖)，則輕量級鎖會膨脹成重量級鎖。
解鎖
輕量級解鎖時，會使用原子的CAS操作來將Displaced Mark Word替換回到對象頭，如果成功，則表示同步過程已完成。如果失敗，表示有其他線程嘗試過獲取該鎖，則要在釋放鎖的同時喚醒被掛起的線程。
重量級鎖
重量鎖在JVM中又叫對象監視器（Monitor），它很像C中的Mutex，除了具備Mutex(0|1)互斥的功能，它還負責實現了Semaphore(信號量)的功能，也就是說它至少包含一個競爭鎖的隊列，和一個信號阻塞隊列（wait隊列），前者負責做互斥，后一個用於做線程同步。
鎖的優缺點對比
| 鎖 | 優點 | 缺點 | 適用場景 |
|---|---|---|---|
| 偏向鎖 | 加鎖和解鎖不需要額外的消耗，和執行非同步方法比僅存在納秒級的差距 | 如果線程間存在鎖競爭，會帶來額外的鎖撤銷的消耗 | 適用於只有一個線程訪問同步塊場景 |
| 輕量級鎖 | 競爭的線程不會阻塞，提高了程序的響應速度 | 如果始終得不到鎖競爭的線程使用自旋會消耗CPU | 追求響應時間,鎖占用時間很短 |
| 重量級鎖 | 線程競爭不使用自旋，不會消耗CPU | 線程阻塞，響應時間緩慢 | 追求吞吐量,鎖占用時間較長 |