當線程執行請求synchronized方法或塊時，monitor會設置幾個虛擬邏輯數據結構來管理這些多線程。

　　請求的線程會首先被加入到線程排隊隊列中，線程阻塞，當某個擁有線程鎖的線程unlock之後，則排隊隊列裏的線程競爭上崗（synchronized是不公平競爭鎖），如果運行的線程調用對象wait()後就釋放鎖並進入wait線程集合那邊，當調用對象的notify()或notifyall()後，wait線程就到排隊那邊。

重量級鎖

　　在JVM規範中描述：每個對象有一個監視器鎖（monitor）。當monitor被占用時就會處於鎖定狀態，線程執行monitorenter指令時嘗試獲取monitor的所有權，過程如下：

　　1、 如果monitor的進入數為0，則該線程進入monitor，如果將進入數設置為1，該線程即為monitor的所有者。

　　2、 如果線程已經占有monitor，只是重新進入，則進入monitor的進入數加1.

　　3、 如果其他線程已經占用了monitor，則該線程進入阻塞狀態，知道monitor的進入數為0，再重新嘗試獲取monitor的所有權。

　　Synchronized的語義底層是通過一個monitor的對象來完成，其實wait/notify等方法也依賴於monitor對象，這就是為什麽只有在同步塊或者方法中才能調用wait/notify等方法，否則會拋出java.lang.IllegalMonitorStateException的異常的原因。

　　Synchronized是通過對象內部的一個叫做監視器鎖（monitor）來實現的。

但是其本質又是依賴於底層的操作系統的互斥鎖（Mutex Lock）來實現的。而操作系統實現線程之間的切換這就需要用戶轉換到和心態，這個成本非常高，狀態之間的轉換需要相對較長的時間，這就是為什麽Synchronized效率低的原因。

因此，這種依賴於操作系統互斥鎖（Mutex Lock）所實現的鎖我們稱之為“重量級鎖”。

當多線程環境進入synchronized區域的線程沒有競爭時，JVM並不會馬上創建重量級鎖，而是使用偏向鎖或者輕量級鎖，當存在資源競爭的情況下才會使用重量級鎖。

輕量級鎖

　　輕量級鎖的核心思想：被加鎖的代碼不會發生並發，如果發生並發，那就膨脹成重量級鎖（膨脹即是鎖升級）。

根據輕量級鎖的實現，我們知道雖然輕量級鎖不支持並發，遇到並發就要膨脹為重量級鎖，但是輕量級鎖可以支持多個線程以串行的方式訪問同一個鎖對象。

偏向鎖

　　偏向鎖的核心思想：假設加鎖的代碼自始至終只有一個線程調用，如果發現多於一個線程調用，即使沒有線程間競爭，也會把鎖升級為輕量級鎖。

自旋鎖

　　當線程阻塞後，如果進入排隊隊列需要CPU從用戶態轉為核心態，尤其當遇到頻繁的阻塞和喚醒對CPU來說負荷很重。統計發現，很多對象鎖的鎖定狀態持續的時間很短，此時在這麽短的時間內進行線程頻繁切換資源耗費嚴重。所以此時引出了自旋鎖的概念。

　　所謂“自旋”，就是monitor並不把線程阻塞放入排隊隊列，而是去執行一個無意義的循環，循環結束後看看是否鎖已釋放並直接進行競爭上崗步驟，如果競爭不到繼續自旋循環，循環過程中線程的狀態一直處於running狀態。明顯自旋鎖似的synchronized的對象鎖方式在線程之間引入了不公平。但是這樣可以保證大吞吐率和執行效率。

　　不過雖然自旋鎖方式省去了阻塞線程的時間和空間（隊列的維護等）開銷，但是長時間自旋也是很低效的。所以自旋的次數一般控制在一個範圍內，如10,50等（在JDK1.6中默認為10次），在超出這個範圍後，線程就進入排隊隊列。

自適應自旋鎖

　　就是自旋的次數是通過JVM在運行時收集的統計信息，動態調整自旋鎖的自旋次數上界。

對象頭

介紹了這幾種鎖，那麽程序是通過什麽來實現對象鎖的呢？首先來看對象頭的結構。

　　在Hotspot虛擬機的對象頭上主要包括兩部分數據：Mark Word（標記字段），Klass Pointer（類型指針）。其中Klass Pointer是對象指向它的類元數據的指針，虛擬機通過這個指針來確定這個對象是哪個類的實例，Mark Word用於存儲對象自身的運行時數據，它是各種鎖的關鍵。

　　Mark Word中的結構大致如此

輕量級鎖的獲取和釋放

獲取鎖

　　1、 判斷當前對象是否處於無鎖狀態，若是，則JVM首先將當前線程的棧幀中建立一個名為所記錄（Lock Record）的空間，用於存儲鎖對象目前的Mark Word的拷貝。否則執行步驟3。

　　2、 JVM利用CAS操作嘗試將對象的Mark Word更新為指向Lock Record的指針，如果成功表示競爭到鎖，則將鎖標誌位變成00（表示此對象處於輕量級鎖狀態），執行同步操作，如果失敗則執行步驟3。

　　3、 判斷當前對象的Mark Word是否指向當前線程的棧幀，如果是則表示當前線程已經持有當前對象的鎖，則直接執行同步代碼塊；否則只能說明該鎖對象已經被其他線程搶占了，這時輕量級鎖需要膨脹為重量級鎖，鎖標誌位變成10，後面等待的線程將會進入阻塞狀態。

釋放鎖

輕量級鎖的釋放也是通過CAS操作來進行的，主要步驟如下

1、 取出在獲取輕量級鎖保存在Mark Word中的數據；

2、 用CAS操作將取出的數據替換當前對象的Mark Word中，如果成功，則說明鎖釋放成功，否則執行3.

3、 如果CAS操作替換失敗，說明有其他線程嘗試獲取該鎖，則需要在釋放所的同時需要喚醒被掛起的線程。

偏向鎖的釋放和獲取

獲取鎖

　　1、 檢測Mark Word是否為可偏向狀態，即是否為偏向鎖1，鎖表示為01；

　　2、 若為可偏向狀態，則測試線程ID是否為為當前線程ID，如果是，則執行步驟5，否則執行步驟3。

　　3、 如果線程ID不是當前線程ID，則通過CAS操作競爭鎖，競爭成功，則將Mark Word的線程ID替換為當前線程ID，否則執行步驟4。

　　4、 通過CAS競爭鎖失敗，證明當前存在多線程競爭情況，當到達全局安全點，獲得偏向鎖的線程被掛起，偏向鎖升級為輕量級鎖，然後被阻塞在安全點的線程繼續往下執行同步代碼塊。

　　5、 執行同步代碼塊。

釋放鎖

　　偏向鎖的釋放采用了一種只有競爭才會釋放鎖的機制，線程會是不會主動釋放偏向鎖，需要等待其他線程來競爭。偏向鎖的撤銷需要等待全局安全點，步驟如下：

　　1、 暫停擁有偏向鎖的線程，判斷鎖對象是否還處於被鎖定狀態

　　2、 撤銷偏向鎖，恢復到無鎖狀態或輕量級鎖的狀態。

參考資料

synchronized、鎖、多線程同步的原理是咋樣的

深入分析synchronized的實現原理

一步一步學多線程-synchronized