Java锁升级的实现过程

对象内存布局

Java对象在内存中存储的布局可以分为3块区域: 对象头、实例数据、对齐填充。

对象头,分为两个部分,第一个部分存储对象自身的运行时数据，又称为Mark Word,32位虚拟机占32bit，64位虚拟机占64bit。如图所示，不同锁状态下，Mark Word的结构，理解下面要介绍的各种锁，和锁升级过程，都需要先充分了解Mark Word的结构。

第二部分是类型指针，指向类元数据指针，虚拟机通过此指针，确定该对象属于那个类的实例。

轻量级锁

轻量级锁是相对于重量级锁(Synchrnoized)而言的，本意是在没有多线程竞争的前提下，减少传统的重量级锁使用操作系统互斥量产生的性能消耗。

轻量级锁的获取

线程进入同步块时，如果此同步对象没有被锁定(即锁标志位为01,是否为偏向锁为0)，虚拟机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一个Mark Word的copy

然后虚拟机使用CAS操作，尝试将Mark World更新为指向Lock Record的指针，如果更新成功，那么线程拥有了该对象的锁，并且将锁标志位置位00，如图所示

一旦有两条以上的线程抢占该锁，轻量级锁会升级为重量级锁。锁标志位置为10,Mark Word存储的就是指向重量级锁的指针

轻量级锁释

• 放如果对象的Mark Word仍然指向着线程的锁记录， 那就用CAS操作把对象当前的Mark Word和线程中复制的Displaced Mark Word替换回来， 如果替换成功， 整个同步过程就完成了。
• 如果替换失败， 说明有其他线程尝试过获取该锁，轻量级锁膨胀为重量级锁,那就要在释放锁的同时， 唤醒被挂起的线程。

偏向锁

引入偏向锁的目的是在没有多线程竞争的前提下，进一步减少线程同步的性能消耗。

偏向锁的获取

开启偏向锁模式后，锁第一次被线程获取的时候，虚拟机会把对象头中是否为偏向锁的标志位设位0,同时使用CAS操作把获取到这个锁的线程的ID记录在对象的Mark Word之中。

当有另外一个线程去尝试获取这个锁时， 偏向模式就宣告结束。 根据锁对象目前是否处于被锁定的状态, 撤销偏向（ Revoke Bias） 后恢复到未锁定（ 标志位为“01”）或轻量级锁定（ 标志位为“00”） 的状态

偏向锁的释放

偏向锁，并没有显式的锁释放过程，主要依靠锁的批量再偏向（Bulk Rebias）机制实现锁释放。

该机制的主要工作原理如下：

• 引入一个概念 epoch, 其本质是一个时间戳 ， 代表了偏向锁的有效性，从前文描述的对象头结构中可以看到， epoch 存储在可偏向对象的 MarkWord 中。
• 除了对象中的 epoch, 对象所属的类 class 信息中， 也会保存一个 epoch 值，每当遇到一个全局安全点时， 如果要对 class 进行批量再偏向， 则首先对 class 中保存的 epoch 进行增加操作， 得到一个新的 epoch_new
• 然后扫描所有持有 class 实例的线程栈，根据线程栈的信息判断出该线程是否锁定了该对象， 仅将epoch_new 的值赋给被锁定的对象中。
• 退出安全点后， 当有线程需要尝试获取偏向锁时， 直接检查 class中存储的 epoch 值是否与目标对象中存储的 epoch 值相等，如果不相等， 则说明该对象的偏向锁已经无效了， 可以尝试对此对象重新进行偏向操作。
  

整个锁升级过程

参考文章

偏向锁，轻量级锁与重量级锁的区别与膨胀

Java中的偏向锁，轻量级锁， 重量级锁解析