簡介
鎖和同步是java多線程編程中非常常見的使用場景。為了鎖定多線程共享的對象，Java需要提供一定的機制來實現共享對象的鎖定，從而保證一次只有一個線程能夠作用於共享對象。當第二個線程進入同一個區域的時候，必須等待第一個線程解鎖該對象。
JVM是怎么做到的呢？為了實現這個功能，java對象又需要具備什么樣的結構呢？快來一起看看吧。
java對象頭
Java的鎖狀態其實可以分為三種，分別是偏向鎖，輕量級鎖和重量級鎖。
在Java HotSpot VM中，每個對象前面都有一個class指針和一個Mark Word。 Mark Word存儲了哈希值以及分代年齡和標記位等，通過這些值的變化，JVM可以實現對java對象的不同程度的鎖定。
還記得我們之前分享java對象的那張圖嗎？
javaObject對象的對象頭大小根據你使用的是32位還是64位的虛擬機的不同，稍有變化。這里我們使用的是64位的虛擬機為例。
Object的對象頭，分為兩部分，第一部分是Mark Word，用來存儲對象的運行時數據比如：hashcode，GC分代年齡，鎖狀態，持有鎖信息，偏向鎖的thread ID等等。
在64位的虛擬機中，Mark Word是64bits，如果是在32位的虛擬機中Mark Word是32bits。
第二部分就是Klass Word，Klass Word是一個類型指針，指向class的元數據，JVM通過Klass Word來判斷該對象是哪個class的實例。
我們可以看到對象頭中的Mark Word根據狀態的不同，存儲的是不同的內容。
其中鎖標記的值分別是：無鎖=001，偏向鎖=101，輕量級鎖=000，重量級鎖=010。
java中鎖狀態的變化
為什么java中的鎖有三種狀態呢？其本質原因是為了提升鎖的效率，因為不同情況下，鎖的力度是不一樣的。
通過設置不同的鎖的狀態，從而可以不同的情況用不同的處理方式。
下圖是java中的鎖狀態的變化圖：
上面的圖基本上列出了java中鎖狀態的整個生命周期。接下來我們一個一個的講解。
偏向鎖biased locking
一般來說，一個對象被一個線程獲得鎖之后，很少發生線程切換的情況。也就是說大部分情況下，一個對象只是被一個對象鎖定的。
那么這個時候我們可以通過設置Mark word的一定結構，減少使用CAS來更新對象頭的頻率。
為了實現這樣的目標，我們看下偏向鎖的Mark word的結構：
當偏向線程第一次進入同步塊的時候，會去判斷偏向鎖的狀態和thread ID，如果偏向鎖狀態是1，並且thread ID是空的話，將會使用CAS命令來更新對象的Mark word。
設置是否偏向鎖=1，鎖標記=01,線程ID設置為當前鎖定該對象的線程。
下一次該對象進入同步塊的時候，會先去判斷鎖定的線程ID和當前線程ID是否相等，如果相等的話則不需要執行CAS命令，直接進入同步塊。
如果這個時候有第二個線程想訪問該對象的同步塊，因為當前對象頭的thread ID是第一個線程的ID，跟第二個線程的ID不同。
如果這個時候線程1的同步塊已經執行完畢，那么需要解除偏向鎖的鎖定。
解除鎖定很簡單，就是將線程ID設置為空，並且將偏向鎖的標志位設為0，
如果這個時候線程1的同步塊還在執行，那么需要將偏向鎖升級為輕量級鎖。
輕量級鎖thin lock
先看下輕量級鎖的結構：
可以看到Mark word中存放的是棧中鎖記錄的指針和鎖的標記=00。
如果對象現在處於未加鎖狀態，當一個線程嘗試進入同步塊的時候，會將把對象頭和當前對象的指針拷貝一份，放在線程的棧中一個叫做lock record的地方。
然后JVM通過CAS操作，將對象頭中的指針指向剛剛拷貝的lock record。如果成功，則該線程擁有該對象的鎖。
實際上Lock Record和Mark word形成了一個互相指向對方的情況。
下次這個線程再次進入同步塊的時候，同樣執行CAS，比較Mark word中的指針是否和當前thread的lock record地址一致，如果一致表明是同一個線程，可以繼續持有該鎖。
如果這個時候有第二個線程，也想進入該對象的同步塊，也會執行CAS操作，很明顯會失敗，因為對象頭中的指針和lock record的地址不一樣。
這個時候第二個線程就會自旋等待。
那么第一個線程什么時候會釋放鎖呢？
輕量級鎖在線程退出同步塊的時候，同樣需要執行CAS命令，將鎖標記從00替換成01，也就是無鎖狀態。
重量級鎖
如果第二個線程自旋時間太久，就會將鎖標記替換成10（重量級鎖），並且設置重量級鎖的指針，指向第二個線程，然后進入阻塞狀態。
當第一個線程退出同步塊的時候，執行CAS命令就會出錯，這時候第一個線程就知道鎖已經膨脹成為重量級鎖了。
第一個線程就會釋放鎖，並且喚醒等待的第二個線程。
第二個線程被喚醒之后，重新爭奪鎖。
我們看下重量級鎖的結構：
三種鎖狀態的不同
偏向鎖，輕量級鎖和重量級鎖到底有什么不同了？
這里總結一下，偏向鎖下次進入的時候不需要執行CAS命令，只做線程ID的比較即可。
輕量級鎖進入和退出同步塊都需要執行CAS命令，但是輕量級鎖不會阻塞，它使用的是自旋命令來獲取鎖。
重量級鎖不使用自旋，但是會阻塞線程。
好了，小伙伴們對於鎖的狀態變化有什么疑問嗎？歡迎留言。
本文作者：flydean程序那些事
本文鏈接：http://www.flydean.com/jvm-object-lock-synchronization/
本文來源：flydean的博客
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