利用synchronized實作同步的基礎：Java中的每一個對象都可以作為鎖。具體表現為以下3種形式。
- 對于普通同步方法，鎖是目前執行個體對象。
- 對于靜态同步方法，鎖是目前類的Class對象。
- 對于同步方法塊，鎖是Synchonized括号裡配置的對象。
synchronized直接修飾方法
public synchronized void test(){
i++;
}
位元組碼中并沒有monitorenter指令和monitorexit指令，取得代之的是ACC_SYNCHRONIZED辨別，JVM通過ACC_SYNCHRONIZED辨別，就可以知道這是一個需要同步的方法，進而執行上述同步的過程，也就是_count加1，這些過程。
synchronized修飾對象
public class SynchronizedTest {
int i = 0;
public void test1(){
synchronized (SynchronizedTest.class){
i++;
}
}
}
javap SynchronizedTest
Synchonized在JVM裡的實作原理:JVM基于進入和退出Monitor對象來實作方法同步和代碼塊同步。monitorenter指令是在編譯後插入到同步代碼塊的開始位置，而monitorexit是插入到方法結束處和異常處，JVM要保證每個monitorenter必須有對應的monitorexit與之配對。任何對象都有一個monitor與之關聯，當且一個monitor被持有後，它将處于鎖定狀态。線程執行到monitorenter指令時，将會嘗試擷取對象所對應的monitor的所有權，即嘗試獲得對象的鎖。
synchronized用的鎖是存在Java對象頭裡的。如果對象是數組類型，則虛拟機用3個字寬（Word）存儲對象頭，如果對象是非數組類型，則用2字寬存儲對象頭。在32位虛拟機中，1字寬等于4位元組，即32bit。
java對象頭
| 長度 | 内容 | 說明 |
|---|---|---|
| 32/64bit | Mark Word | 存儲對象的hashCode或鎖資訊等 |
| 32/64bit | Class Metadata Address | 存儲到對象類型資料的指針 |
| 32/64bit | Array length | 數組的長度（如果目前對象是數組） |
Java對象頭裡的Mark Word裡預設存儲對象的HashCode、分代年齡和鎖标記位，32位JVM的Mark Word的預設存儲結構如下
| 鎖狀态 | 25bit | 4bit | 1bit是否是偏向鎖 | 2bit标志位 |
|---|---|---|---|---|
| 無鎖狀态 | 對象的hashCode | 對象分代年齡 | 01 |
在運作期間，Mark Word裡存儲的資料會随着鎖标志位的變化而變化。Mark Word可能變化為存儲以下4種資料
| 鎖狀态 | 25bit | 4bit | 1bit | 2bit | |
|---|---|---|---|---|---|
| 23bit | 2bit | 是否是偏向鎖 | 鎖标志位 | ||
| 輕量級鎖 | 指向棧中鎖記錄的指針 | 00 | |||
| 重量級鎖 | 指向互斥量（重量級鎖）的指針 | 10 | |||
| GC标記 | 空 | 11 | |||
| 偏向鎖 | 線程ID | Epoch | 對象分代年齡 | 1 | 01 |
在64位虛拟機下，Mark Word是64bit大小的，Mark Word的存儲結構
| 鎖狀态 | 25bit | 31bit | 1bit | 4bit | 1bit | 2bit |
|---|---|---|---|---|---|---|
| cms_free | 分代年齡 | 偏向鎖 | 鎖标志位 | |||
| 無鎖 | unused | hashCode | 01 | |||
| 偏向鎖 | ThreadID(54bit)Epoch(2bit) | 1 | 01 |
Java SE 1.6為了減少獲得鎖和釋放鎖帶來的性能消耗，引入了“偏向鎖”和“輕量級鎖”，在Java SE 1.6中，鎖一共有4種狀态，級别從低到高依次是：無鎖狀态、偏向鎖狀态、輕量級鎖狀态和重量級鎖狀态，這幾個狀态會随着競争情況逐漸更新。鎖可以更新但不能降級，意味着偏向鎖更新成輕量級鎖後不能降級成偏向鎖。這種鎖更新卻不能降級的政策，目的是為了提高獲得鎖和釋放鎖的效率。
偏向鎖
大多數情況下，鎖不僅不存在多線程競争，而且總是由同一線程多次獲得，為了讓線程獲得鎖的代價更低而引入了偏向鎖。當一個線程通路同步塊并擷取鎖時，會在對象頭和棧幀中的鎖記錄裡存儲鎖偏向的線程ID，以後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，隻需簡單地測試一下對象頭的Mark Word裡是否存儲着指向目前線程的偏向鎖。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中偏向鎖的辨別是否設定成1（表示目前是偏向鎖）：如果沒有設定，則使用CAS競争鎖；如果設定了，則嘗試使用CAS将對象頭的偏向鎖指向目前線程。
偏向鎖的擷取
- 通路 Mark Word 中偏向鎖的标志是否設定成 1，鎖的标志位是否是 01 --- 确認為可偏向狀态。
- 如果确認為可偏向狀态，判斷目前線程id 和 對象頭中存儲的線程 ID 是否一緻，如果一緻的話，則執行步驟5，如果不一緻，進入步驟3
- 如果目前線程ID 與對象頭中存儲的線程ID 不一緻的話，則通過 CAS 操作來競争擷取鎖。如果競争成功，則将 Mark Word 中的線程ID 修改為目前線程ID，然後執行步驟5，如果競争失敗，則執行步驟4
- 如果 CAS 擷取偏向鎖失敗，則表示有競争（CAS 擷取偏向鎖失敗則表明至少有其他線程曾經擷取過偏向鎖，因為線程不會主動釋放偏向鎖）。當到達全局安全點（SafePoint）時，會首先暫停擁有偏向鎖的線程，然後檢查持有偏向鎖的線程是否存活（因為可能持有偏向鎖的線程已經執行完畢，但是該線程并不會主動去釋放偏向鎖），如果線程不處于活動狀态，則将對象頭置為無鎖狀态(标志位為01)，然後重新偏向新的線程；如果線程仍然活着，撤銷偏向鎖後更新到輕量級鎖的狀态（标志位為00），此時輕量級鎖由原持有偏向鎖的線程持有，繼續執行其同步代碼，而正在競争的線程會進入自旋等待獲得該輕量級鎖。
- 執行同步代碼
偏向鎖的撤銷
偏向鎖使用了一種等到競争出現才釋放鎖的機制，是以當其他線程嘗試競争偏向鎖時，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位元組碼）。它會首先暫停擁有偏向鎖的線程，然後檢查持有偏向鎖的線程是否活着，如果線程不處于活動狀态，則将對象頭設定成無鎖狀态；如果線程仍然活着，擁有偏向鎖的棧會被執行，周遊偏向對象的鎖記錄，棧中的鎖記錄和對象頭的Mark Word要麼重新偏向于其他線程，要麼恢複到無鎖或者标記對象不适合作為偏向鎖，最後喚醒暫停的線程。
關閉偏向鎖
偏向鎖在Java 是預設啟用的，但是它在應用程式啟動幾秒鐘之後才激活，如有必要可以使用JVM參數來關閉延遲：-XX:BiasedLockingStartupDelay=0。如果你确定應用程式裡所有的鎖通常情況下處于競争狀态，可以通過JVM參數關閉偏向鎖：-XX:-UseBiasedLocking=false，那麼程式預設會進入輕量級鎖狀态。
輕量級鎖
輕量級加鎖
線程在執行同步塊之前，JVM會先在目前線程的棧桢中建立用于存儲鎖記錄的空間，并将對象頭中的Mark Word複制到鎖記錄中，官方稱為Displaced Mark Word。然後線程嘗試使用CAS将對象頭中的Mark Word替換為指向鎖記錄的指針。如果成功，目前線程獲得鎖，如果失敗，表示其他線程競争鎖，目前線程便嘗試使用自旋來擷取鎖。
輕量級鎖解鎖
輕量級解鎖時，會使用原子的CAS操作将Displaced Mark Word替換回到對象頭，如果成功，則表示沒有競争發生。如果失敗，表示目前鎖存在競争，鎖就會膨脹成重量級鎖。
兩個線程同時争奪鎖，導緻鎖更新的流程圖
因為自旋會消耗CPU，為了避免無用的自旋（比如獲得鎖的線程被阻塞住了），一旦鎖更新成重量級鎖，就不會再恢複到輕量級鎖狀态。當鎖處于這個狀态下，其他線程試圖擷取鎖時，都會被阻塞住，當持有鎖的線程釋放鎖之後會喚醒這些線程，被喚醒的線程就會進行新一輪的奪鎖之争。
鎖的優缺點對比
| 鎖 | 優點 | 缺點 | 适用場景 |
|---|---|---|---|
| 偏向鎖 | 加鎖和解鎖不需要額外的消耗，和執行非同步方法相比僅存在納秒級的差距 | 如果線程間存在鎖競争，會帶來額外的鎖撤銷的消耗 | 适用于隻有一個線程通路的同步塊場景 |
| 輕量級鎖 | 競争的線程不會阻塞，提高了程式的響應速度 | 如果始終得不到鎖競争的線程，使用自旋會消耗CPU | 追求響應時間 同步塊執行速度非常快 |
| 重量級鎖 | 競争線程不使用自旋，不會消耗CPU | 線程阻塞，響應時間慢 | 追求吞吐量 同步塊執行速度較長 |
文章來自：java并發程式設計的藝術