Java並發之鎖升級：無鎖->偏向鎖->輕量級鎖->重量級鎖
對象頭markword
在lock_bits為01的大前提下，只有當是否偏向鎖位值為1的時候，才表明當前對象處於偏向鎖定狀態；為0時，表明該對象被hash計算了
如果線程獲得該偏向鎖，則對象頭是否偏向鎖置1，標志位為01。
鎖的升級過程——無鎖->偏向鎖->輕量級鎖->重量級鎖
明確 Java 線程切換的代價，是理解java中各種鎖的優缺點的基礎之一。
JDK1.6以前synchronized 關鍵字只表示重量級鎖，1.6之后區分為偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖。
偏向鎖，輕量級鎖，重量級鎖分別解決三個問題
- 只有一個線程進入臨界區
- 多個線程交替進入臨界區
- 多個線程同時進入臨界區
偏向鎖：
為什么引入偏向鎖
HotSpot的作者大量的研究發現，大多數時候是不存在鎖競爭的，常常是一個線程多次獲得同一個鎖，因此如果每次都要競爭鎖會增大很多沒有必要付出的代價，為了降低獲取鎖的代價，才引入的偏向鎖。
Synchronized 是通過對象內部的一個叫做監視器鎖（monitor）來實現的。但是監視器鎖本質又是依賴於底層的操作系統的 Mutex Lock 來實現的。而操作系統實現線程之間的切換這就需要從用戶態轉換到核心態，這個成本非常高，狀態之間的轉換需要相對比較長的時間，這就是為什么 Synchronized 效率低的原因。因此，這種依賴於操作系統 Mutex Lock 所實現的鎖我們稱之為“重量級鎖”。JDK 中對 Synchronized 做的種種優化，其核心都是為了減少這種重量級鎖的使用。JDK1.6 以后，為了減少獲得鎖和釋放鎖所帶來的性能消耗，提高性能，引入了自旋鎖、自適應自旋鎖、輕量級鎖和偏向鎖。
輕量級鎖
輕量級鎖
輕量級是相對於使用操作系統互斥量來實現的傳統鎖而言的。但是，首先需要強調一點的是，輕量級鎖並不是用來代替重量級鎖的，它的本意是在沒有多線程競爭的前提下，減少傳統的重量級鎖使用產生的性能消耗。在解釋輕量級鎖的執行過程之前，先明白一點，輕量級鎖所適應的場景是線程交替執行同步塊的情況，如果存在同一時間訪問同一鎖的情況，就會導致輕量級鎖膨脹為重量級鎖。
重量級鎖
內置鎖在Java中被抽象為監視器鎖（monitor）。在JDK 1.6之前，監視器鎖可以認為直接對應底層操作系統中的互斥量（mutex）。這種同步方式的成本非常高，包括系統調用引起的內核態與用戶態切換、線程阻塞造成的線程切換等。因此，后來稱這種鎖為“重量級鎖”。
無鎖->偏向鎖
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 同步塊時不需要進行CAS操作來加鎖和解鎖，只需簡單地測試一下對象頭的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 要再測試一下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正在執行的字節碼）。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。
- 當沒有競爭出現時，默認會使用偏向鎖。JVM 會利用 CAS 操作（compare and swap），在對象頭上的 Mark Word 部分設置線程 ID，以表示這個對象偏向於當前線程，所以並不涉及真正的互斥鎖。這樣做的假設是基於在很多應用場景中，大部分對象生命周期中最多會被一個線程鎖定，使用偏向鎖可以降低無競爭開銷。
- 如果有另外的線程試圖鎖定某個已經被偏向過的對象，JVM 就需要撤銷（revoke）偏向鎖，並切換到輕量級鎖實現。輕量級鎖依賴 CAS 操作 Mark Word 來試圖獲取鎖，如果重試成功，就使用輕量級鎖；否則，進一步升級為重量級鎖
偏向鎖的獲得和撤銷流程
輕量級鎖膨脹
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，表示其他線程競爭鎖，當前線程便嘗試使用自旋來獲取鎖。輕量級鎖解鎖 輕量級解鎖時，會使用原子的CAS操作將Displaced Mark Word替換回到對象頭，如果成功，則表示沒有競爭發生。如果失敗表示當前鎖存在競爭，鎖就會膨脹成重量級鎖。
總結
可以理解為：
當只有一個線程時，線程占有鎖時是偏向鎖；當有其他線程競爭鎖時，偏向鎖升級為輕量級鎖；當多線程不能交替獲得輕量級鎖而不產生競爭（可以自旋等待）時，輕量級鎖升級為重量級鎖。
參考：