Synchronized底层实现

JAVA线程阻塞的代价

java 的线程是映射到原生操作系统线程上的，阻塞和唤醒操作系统都需要操作系统介入的，需要在用户态和核心态之间转换。这种切换会耗费大量操作系统资源，因为用户态和核心态都有各自专用的内存空间、寄存器等。用户态切换到内核态需要传递许多变量、参数给内核，内核也需要保存好用户态在切换时的寄存器值和变量。

markword对象头标识

markword是java对象数据结构中的一部分，他的最后2bit是锁状态标识，用来标记当前对象所处的状态。

01：未锁定（对象的hash值、对象年龄分代）
00：轻量级锁（指向锁记录的指针）
10：重量级锁（指向重量级锁的指针）
01：偏向锁（偏向线程ID、偏向时间、对象年龄代）

偏向锁他会偏向第一次访问的线程，当线程获取锁对象时，会在java对象头markword中记录偏向锁的threadID，并不会主动释放偏向锁。当同一个线程再次获取锁时会比较当前的threadID与对象头中的threadID是否一致。如果一致则不需要通过CAS来加锁、解锁。如果不一致并且线程还需要持续持有锁，则暂停当前线程撤销偏向锁，升级为轻量级锁。如果不在需要持续持有锁则锁对象头设为无锁状态，重新设置偏向锁。

轻量级锁

轻量级锁由偏向锁升级而来，偏向锁运行在一个线程同步块时，第二个线程加入锁竞争的时候，偏向锁就会升级为轻量级锁。

轻量级锁过程：

线程由偏向锁升级为轻量级锁时，会先把锁的对象头MarkWord复制一份到线程的栈帧中，建立一个名为锁记录空间（Lock Record），用于存储当前Mark Word的拷贝。
虚拟机使用cas操作尝试将对象的Mark Word指向Lock Record的指针，并将Lock record里的owner指针指对象的Mark Word。
如果cas操作成功，则该线程拥有了对象的轻量级锁。第二个线程cas自选锁等待锁线程释放锁。
如果多个线程竞争锁，轻量级锁要膨胀为重量级锁，Mark Word中存储的就是指向重量级锁（互斥量）的指针。其他等待线程进入阻塞状态。

总结

synchronized的执行过程：

检测Mark Word里面是不是当前线程的ID，如果是，表示当前线程处于偏向锁
如果不是，则使用CAS将当前线程的ID替换Mard Word，如果成功则表示当前线程获得偏向锁，置偏向标志位1
如果失败，则说明发生竞争，撤销偏向锁，进而升级为轻量级锁。
在线程的栈帧生成一条锁记录，当前线程使用CAS将对象头的Mark Word替换为锁记录指针，如果成功，当前线程获得锁（也就是那个对象指向锁记录，哪个对象持有锁，没持有就CAS自旋，自旋失败就升级为重量级锁）
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。
如果自旋成功则依然处于轻量级状态。
如果自旋失败，则升级为重量级锁。