偏向锁，轻量级锁，重量级锁

先引入几个概念

1. 对象头

Java中，每个对象都含有一个对象头，用于保存一些额外信息，以32位JDK为例，对象头长度为4byte，其结构如下

锁状态	25 bit			4bit	1bit	2bit
	23bit		2bit		是否是偏向锁	锁标志位
轻量级锁	指向栈中锁记录的指针					00
重量级锁	指向互斥量（重量级锁）的指针					10
GC标记	空					11
偏向锁	线程ID	Epoch		对象分代年龄	1	01
无锁	对象的hashCode			对象分代年龄	0	01

参见hotspotsrcsharevmoopsmarkOop.hpp

2. lock record 

参见hotspotsrcsharevm untimeasicLock.hpp

其关键代码如下

class BasicLock VALUE_OBJ_CLASS_SPEC {
  friend class VMStructs;
 private:
  volatile markOop _displaced_header;//对象头
.........................
}

class BasicObjectLock VALUE_OBJ_CLASS_SPEC {
  friend class VMStructs;
 private:
  BasicLock _lock;                                    // the lock, must be double word aligned
  oop       _obj;                                     // object holds the lock;
..........................
}

也就是BasicObjectLock这个class了，其中记录了锁对象的mark word，与锁对象的指针

重量级锁

这是最重的锁了，直接使用操作系统自带的互斥量来实现

当线程A拥有针对某个对象的重量级锁时，对象头的mark word中保存了指向互斥量的指针，锁状态也被设置为10

如果此时线程B试图获取这个对象的锁，在检测到mark word的状态后，线程B会找到对应的互斥量，将自己注册到这个互斥量的等待队列中，然后挂起自身

线程A解锁时，会唤醒互斥量中等待队列里的线程B，使其可以占用这个对象的锁

轻量级锁

利用系统互斥量是一个很重的操作，根据经验规律我们可以知道：大部分的锁竞争都不激烈，很多情况下锁对象虽然会被多线程使用，但是线程之间不会发生冲突，针对这种情况就有了轻量级锁的优化

所谓的轻量级锁，就是当一个线程试图获取某个Object上的锁时，不是直接调用很重的mutex，而是

1. 先在这个线程的栈帧中创建一个lock record，然后将对象头的mark word复制到这个lock word里

2. cas的修改对象头的mark word，在mark word里写入指向这个线程的指针，并将锁标记位改写成00。写入成功，表示这个对象上加了轻量级的锁，跳转至3。如果写入不成功，表明这个对象被其他的线程以轻量级锁锁住，跳转至5

3. 执行操作，跳转至4

4. 检查对象头的mark word，如果锁状态还是00，那么表明占用期间没有发生争用，可以放心解锁，也就是把栈帧中保存的mark word用cas替换到对象头中。如果锁状态不为00，说明发生了锁争用，轻量级锁已经膨胀成为了重量级锁，现在对象头的mark word里保存的是指向互斥量的指针，走一般的重量级锁的解锁流程即可。

5. 考虑到大部分的锁争用只发生很短时间，先原地自旋若干次，如果还是不能获取锁，就执行锁膨胀操作，将这个对象的轻量级锁升级为重量级锁。具体操作是先申请一个mutex，将对象头的mark word中的指针指向这个mutex，锁状态改写成10，然后将自己放入等待队列，然后挂起自己。从第4步中我们可以知道，当前占有锁的线程在执行完毕之后，会发现这个锁已经膨胀，这个等待中的线程也就会被唤醒。

ps. 如果发生锁重入，线程会在栈帧中再次创建lock record，此时lock record中只记录指向锁对象的指针，mark word位直接置为0。重入锁解锁时，发现mark word位为0的情况，只会删除这个lock record，不会对对象头做任何操作

可以看到，在低竞争的情况下，轻量级锁用轻量级的cas操作替代了重量级的mutex操作，减少了系统开销

偏向锁

根据统计，在实际情况下，大部分的锁对象永远只被一个线程占用，那么在这种情况下，轻量级锁在每次monitorenter和monitorexit的时候（非重入），都会进行一次cas操作，为了进一步减少cas操作，偏向锁（biased locking）诞生了。

所谓的偏向锁，是指某个对象一经加锁，在不发生争用的情况下，mark word里的指针永远是偏向这个线程的，那么在不发生锁争用的情况下，线程每次进入临界区之前，只需要检查一下对象头中的mark word是否是指向自己即可，如果还是指向自己，那么在栈帧中申请一个lock record即可。这样就只用进行一次cas操作了。

但是如果发生竞争该怎么办呢？那就要走revoke biased流程了：

1. 看一眼持有锁的线程是否还活着，如果已经死了，那将对象设置为无锁状态就可以了

2. 如果这个线程还活着，那需要遍历持有这个锁的线程的栈帧中的所有lock record，如果所有lock record都不指向锁对象，那么这个线程实际上不持有这个对象锁。同1，将对象设置为无锁状态即可

3. 如果这个线程正在占用这个锁对象，那么需要修改线程中的锁记录与对象头，将它们都修改为轻量级锁状态，然后正常走轻量级锁的流程即可

总结：

偏，轻，重锁，分别解决三个问题

偏：只有一个线程进入临界区

轻：多个线程交替进入临界区

重：多线程同时进入临界区

ps.

1. 如果对象被调用过native的hashCode方法，那么这个对象的对象头中的hashcode字段就有值了，那么这个对象就无法进入偏向锁状态，就算正处于偏向锁状态，那也要revoke baised了

2. revoke baised是一个相当昂贵的操作，如果应用程序的锁争用极其激烈，偏向锁经常被revoke，那么直接关闭偏向锁可能反而会提高性能

参考资料

java锁优化

JVM内部细节之一：synchronized关键字及实现细节（轻量级锁Lightweight Locking）

聊聊并发（二）Java SE1.6中的Synchronized

虚拟机中的锁优化简介（适应性自旋/锁粗化/锁削除/轻量级锁/偏向锁）

openjdk对biased locking的官方文档

一篇详细讲解了biased locking的论文

LockSupport.park()实现分析