Monitor对象

一个线程试图访问同步代码快时，它首先必须得到锁，退出或抛异常时必须释放锁。

JVM基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步，两者实现略有差别。代码块同步是使用monitorenter和monitorexit指令实现的，而方法同步使用另一种方式实现，当然它也可以使用上面两个指令实现。

monitorenter指令在编译后插入到同步代码块的开始位置，monitorexit插入到方法结束处和异常处，JVM保证它们两两配对。任何一个对象都有一个monitor与之关联，当且仅当一个monitor被持有后，它将处于锁定状态。线程执行到monitorenter指令时，将会尝试获取对象所对应的monitor的所有权，即尝试获得对象的锁。

Java对象头

对象是数组类型，则虚拟机使用3个字宽(Word)存储对象头；对象是非数组类型，则用2个字宽存储对象头。在32位虚拟机中，1字宽等于4字节，即32bit。如下图所示：

Java对象结构

Java对象头的Mark Word里默认存储对象的HashCode、分代年龄和锁标记位。Class Metadata Address存储到对对象类型数据的指针。Array length是数组的长度(当前是数组对象的话)。32位JVM的Mark Word的默认存储结构如下所示：

运行期，Mark Word存储的数据是会随着锁标志位的变化而变化的。如下所示：

Mark Word存储内容

在64为虚拟机下，Mark Word是64bit大小的。

锁

Java SE 1.6为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗，引入了"偏向锁"和"轻量级锁"。在该版本中，锁一共有4种状态，级别从低到高依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态，这几个状态会随着竞争情况逐渐升级。升级策略是为了提高获得锁和释放锁的效率，不存在降级策略。

偏向锁

大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，为了让线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁。

当一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头和帧栈中的锁记录里存储锁偏向的线程ID，以后该线程在进入和退出同步块时不需要进行CAS操作来加锁和解锁，只需要简单地测试一下对象头的Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。如果测试成功，表示线程已经获得了锁。如果测试失败，则需要再测试一下Mark Word中偏向锁的标志是否设置成1，如果设置了则尝试使用CAS将对象头的偏向锁指向当前线程；如果没有设置则使用CAS竞争锁。

偏向锁撤销

偏向锁使用了一种等到竞争出现才释放锁的机制，所以当其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁。偏向锁的撤销，需要等待全局安全点(在这个时间点上没有正在执行的字节码)。它会首先暂停拥有偏向锁的线程，然后检查持有偏向锁的线程是否或者，如果线程不处于活动状态，则将对象头设置成无锁状态；如果线程仍然活着，拥有偏向锁锁的栈会被执行，遍历偏向对象的锁记录，栈中的锁记录和对象头的Mark Word要么重新偏向于其他线程，要么回复到无锁或者标记对象不适合作为偏向锁，最后唤醒暂停的线程。

偏向锁关闭

偏向锁在Java6和Java7中是默认启用的，但它在应用程序启动几秒钟之后才激活的。可以通过JVM参数来关闭延迟：-XX:BiasedLockingStartupDelay=0。如果确定应用程序里的所有锁通常情况下处于竞争状态，可以通过JVM参数关闭偏向锁：-XX:UseBiasedLocking=false，那么程序默认会进入轻量级锁状态。

轻量级锁

加锁

线程在执行同步块之前，JVM会先在当前线程的帧栈中创建用于存储锁记录的空间，并将对象头中的Mark Word复制到锁记录中，官方称为Displaced Mark Word。然后线程尝试使用CAS将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针。如果成功，当前线程获得锁，如果失败，表示其他线程竞争锁，当前线程便尝试使用自旋来获取锁。

解锁

轻量级锁解锁时，会使用原子的CAS操作将Displaced Mark Word替换回到对象头，如果成功，则表示没有竞争发生。如果失败，表示当前锁存在竞争，锁就会膨胀成重量级锁。

因为自旋会消耗CPU，为了避免无用的自旋(比如获得锁的线程被阻塞住了)，一旦锁升级为重量级锁，就不会再恢复到轻量级锁状态。当锁处于这个状态下，其他线程试图获取锁时，都会被阻塞住，当持有锁的线程释放锁之后会唤醒这些线程，被唤醒的线程就会进行新一轮的夺锁之战。

锁的优缺点