Java 6 对 synchronized 锁做了多方面的优化，其中最主要的就是引入了 偏向锁和轻量级锁。锁的获取次序依次是 偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁。

synchronized 实现原理

要了解 synchronized 的原理需要先理清楚两件事情：对象头和 Monitor。

对象头

Java对象在内存中分为三部分：对象头、实例数据、对齐填充。当我们在 Java 代码中，使用 new 创建一个对象的时候，JVM 会在堆中创建一个 instanceOopDesc 对象，这个对象中包含了对象头以及实例数据。

instanceOopDesc 的基类为 oopDesc 类。它的结构如下：

oopDesc 结构

其中 _mark 和 _metadata 一起组成了对象头。_metadata 主要保存了类元数据。重点看下 _mark 属性，_mark 是 markOop 类型数据，一般称它为标记字段（Mark Word），其中主要存储了对象的 hashCode、分代年龄、锁标志位，是否偏向锁等。

用一张图来表示 32 位 Java 虚拟机的 Mark Word 的默认存储结构如下：

32 位 Java 虚拟机的 Mark Word 的默认存储结构  

默认情况下，没有线程进行加锁操作，所以锁对象中的 Mark Word 处于无锁状态。但是考虑到 JVM 的空间效率，Mark Word 被设计成为一个非固定的数据结构，以便存储更多的有效数据，它会根据对象本身的状态复用自己的存储空间，如 32 位 JVM 下，除了上述列出的 Mark Word 默认存储结构外，还有如下可能变化的结构：

不同情况下Mark Word 的结构

从图中可以看出，根据"锁标志位”以及"是否为偏向锁"，Java 中的锁可以分为以下几种状态：

Java 中的锁的几种状态

在 Java 6 之前，并没有轻量级锁和偏向锁，只有重量级锁，也就是通常所说 synchronized 的对象锁，锁标志位为 10。从图中的描述可以看出：当锁是重量级锁时，对象头中 Mark Word 会用 30 bit 来指向一个“互斥量”，而这个互斥量就是 Monitor。

Monitor

Monitor 可以把它理解为一个同步工具，也可以描述为一种同步机制。实际上，它是一个保存在对象头中的一个对象。在 markOop 中有如下代码：

通过 monitor() 方法创建一个 ObjectMonitor 对象，而 ObjectMonitor 就是 Java 虚拟机中的 Monitor 的具体实现。因此 Java 中每个对象都会有一个对应的 ObjectMonitor 对象，这也是 Java 中所有的 Object 都可以作为锁对象的原因。

ObjectMonitor 是如何实现同步机制

首先看下 ObjectMonitor 的结构：

ObjectMonitor 结构

其中有几个比较关键的属性：

当多个线程同时访问一段同步代码时，首先会进入 _EntryList 队列中，当某个线程通过竞争获取到对象的 monitor 后，monitor 会把 _owner 变量设置为当前线程，同时 monitor 中的计数器 _count 加 1，即获得对象锁。

若持有 monitor 的线程调用 wait() 方法，将释放当前持有的 monitor，_owner 变量恢复为 null， _count 自减 1，同时该线程进入 _WaitSet 集合中等待被唤醒。若当前线程执行完毕也将释放 monitor（锁）并复位变量的值，以便其他线程进入获取 monitor（锁）。

实例演示

比如以下代码通过 3 个线程分别执行以下同步代码块：

锁对象是 lock 对象，在 JVM 中会有一个 ObjectMonitor 对象与之对应。如下图所示：

分别使用 3 个线程来执行以上同步代码块。默认情况下，3 个线程都会先进入 ObjectMonitor 中的 EntrySet 队列中，如下所示：

假设线程 2 首先通过竞争获取到了锁对象，则 ObjectMonitor 中的 Owner 指向线程 2，并将 count 加 1。结果如下：

上图中 Owner 指向线程 2 表示它已经成功获取到锁（Monitor）对象，其他线程只能处于阻塞（blocking）状态。如果线程 2 在执行过程中调用 wait() 操作，则线程 2 会释放锁（Monitor）对象，以便其他线程进入获取锁（Monitor）对象，Owner 变量恢复为 null，count 做减 1 操作，同时线程 2 会添加到 WaitSet 集合，进入等待（waiting）状态并等待被唤醒。结果如下：

然后线程 1 和线程 3 再次通过竞争获取到锁（Monitor）对象，则重新将 Owner 指向成功获取到锁的线程。假设线程 1 获取到锁，如下：

当线程 1 中的代码执行完毕以后，同样会自动释放锁，以便其他线程再次获取锁对象。

实际上，ObjectMonitor 的同步机制是 JVM 对操作系统级别的 Mutex Lock（互斥锁）的管理过程，其间都会转入操作系统内核态。也就是说 synchronized 实现锁，在“重量级锁”状态下，当多个线程之间切换上下文时，还是一个比较重量级的操作。

Java 虚拟机对 synchronized 的优化

从 Java 6 开始，虚拟机对 synchronized 关键字做了多方面的优化，主要目的就是，避免 ObjectMonitor 的访问，减少“重量级锁”的使用次数，并最终减少线程上下文切换的频率 。其中主要做了以下几个优化： 锁自旋、轻量级锁、偏向锁。

锁自旋

线程的阻塞和唤醒需要 CPU 从用户态转为核心态，频繁的阻塞和唤醒对 CPU 来说是一件负担很重的工作，势必会给系统的并发性能带来很大的压力，所以 Java 引入了自旋锁的操作。实际上自旋锁在 Java 1.4 就被引入了，默认关闭，但是可以使用参数 -XX:+UseSpinning 将其开启。但是从 Java 6 之后默认开启。

所谓自旋，就是让该线程等待一段时间，不会被立即挂起，看当前持有锁的线程是否会很快释放锁。而所谓的等待就是执行一段无意义的循环即可（自旋）。

自旋锁也存在一定的缺陷：自旋锁要占用 CPU，如果锁竞争的时间比较长，那么自旋通常不能获得锁，白白浪费了自旋占用的 CPU 时间。这通常发生在锁持有时间长，且竞争激烈的场景中，此时应主动禁用自旋锁。

轻量级锁

有时候 Java 虚拟机中会存在这种情形：对于一块同步代码，虽然有多个不同线程会去执行，但是这些线程是在不同的时间段交替请求这把锁对象，也就是不存在锁竞争的情况。在这种情况下，锁会保持在轻量级锁的状态，从而避免重量级锁的阻塞和唤醒操作。

要了解轻量级锁的工作流程，还是需要再次看下对象头中的 Mark Word。上文中已经提到，锁的标志位包含几种情况：00 代表轻量级锁、01 代表无锁（或者偏向锁）、10 代表重量级锁、11 则跟垃圾回收算法的标记有关。

当线程执行某同步代码时，Java 虚拟机会在当前线程的栈帧中开辟一块空间（Lock Record）作为该锁的记录，如下图所示：

然后 Java 虚拟机会尝试使用 CAS（Compare And Swap）操作，将锁对象的 Mark Word 拷贝到这块空间中，并且将锁记录中的 owner 指向 Mark Word。结果如下：

当线程再次执行此同步代码块时，判断当前对象的 Mark Word 是否指向当前线程的栈帧，如果是则表示当前线程已经持有当前对象的锁，则直接执行同步代码块；否则只能说明该锁对象已经被其他线程抢占了，这时轻量级锁需要膨胀为重量级锁。

轻量级锁所适应的场景是线程交替执行同步块的场合，如果存在同一时间访问同一锁的场合，就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。

偏向锁

轻量级锁是在没有锁竞争情况下的锁状态，但是在有些时候锁不仅存在多线程的竞争，而且总是由同一个线程获得。因此为了让线程获得锁的代价更低引入了偏向锁的概念。偏向锁的意思是如果一个线程获得了一个偏向锁，如果在接下来的一段时间中没有其他线程来竞争锁，那么持有偏向锁的线程再次进入或者退出同一个同步代码块，不需要再次进行抢占锁和释放锁的操作。偏向锁可以通过 -XX:+UseBiasedLocking 开启或者关闭。

偏向锁的具体实现就是在锁对象的对象头中有个 ThreadId 字段，默认情况下这个字段是空的，当第一次获取锁的时候，就将自身的 ThreadId 写入锁对象的 Mark Word 中的 ThreadId 字段内，将是否偏向锁的状态置为 01。这样下次获取锁的时候，直接检查 ThreadId 是否和自身线程 Id 一致，如果一致，则认为当前线程已经获取了锁，因此不需再次获取锁，略过了轻量级锁和重量级锁的加锁阶段。提高了效率。

其实偏向锁并不适合所有应用场景, 因为一旦出现锁竞争，偏向锁会被撤销，并膨胀成轻量级锁，而撤销操作（revoke）是比较重的行为，只有当存在较多不会真正竞争的 synchronized 块时，才能体现出明显改善；因此实践中，还是需要考虑具体业务场景，并测试后，再决定是否开启/关闭偏向锁。

最后

本课程主要介绍了 Java 中锁的几种状态，其中偏向锁和轻量级锁都是通过自旋等技术避免真正的加锁，而重量级锁才是获取锁和释放锁，重量级锁通过对象内部的监视器（ObjectMonitor）实现，其本质是依赖于底层操作系统的 Mutex Lock 实现，操作系统实现线程之间的切换需要从用户态到内核态的切换，成本非常高。