在常见的并发案例中，会使用多个线程对一个数值进行自加运算，会得到一个和预计总和不一致的结果，这就是很多面试中遇到的自增是否是线程安全问题。在Java中如何进行线程安全问题的规避，常规方式就是使用锁机制。

Java对象结构

  • 对象头
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  Mark Word(标记字)：记录对象的运行时数据。其长度值为JVM中一个Word的大小。
  Class Pointer(类对象指针)：记录对象元数据信息。
  Array Length(数组长度)：可选字段，如果对象为数组，则记录数据长度，如果对象非数组，则该字段不存在。

  • 对象体

    记录了对象的成员变量。

  • 对齐字节

    填充补位使用，用于确保对象所占内存字节数为8的整数倍。

Java锁状态

  • Java中锁的状态可分为无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁。
  • 锁的状态不可降级，只能从低到高，无法进行降级操作。
  • 锁的状态记录在Mark Word中。
锁状态57位4位1位(biased)2位(lock)
无锁[25位]+【31位：对象的HashCode】+[1位]分代年龄001
偏向锁【54位：线程ID】+【2位：epoch】 + [1位]分代年龄101
轻量级锁【62位锁记录指针】--00
重量级锁【62位的锁监视器指针】-=10

偏向锁

偏向锁，顾名思义，就是偏向于某一个线程的锁，主要应用在没有线程竞争的场景下。

当一个线程获取了锁，则当前锁会进入偏向状态，在锁对象的Mark Word中，会使用54位记录占用的线程ID，如果这个线程再次请求锁，则会直接获取到锁，无需任何操作。

JVM默认会开启偏向锁，默认延时4秒开启，在4秒内，会进行很多的初始化工作，使用大量的synchronized关键字进行加锁，且很多操作均为多线程竞争。

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# +UseBiasedLocking标识开启偏向锁，BiasedLockingStartupDelay用于禁止偏向锁延迟
-XX:+UseBiasedLocking -XX:BiasedLockingStartupDelay=0

在存在多线程竞争的场景下，偏向锁会发生撤销。

在调用锁对象的**hashCode()或者调用System.identityHashCode()**计算哈希码时，也会发生撤销。

轻量级锁

主要用于在应用层实现锁，而避免使用操作系统底层的互斥锁。

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当一个线程进入临界区前，如果锁对象没有被锁定，则会在这个线程的栈帧中创建一个锁记录（Lock Record）。
CAS自旋抢锁，将锁记录指针指向当前线程中的锁记录地址。
JVM更新锁标记位。
当前线程将锁记录中的owner指针指向锁对象，同时在锁记录中的Displaced Mark Word字段中存储锁对象的Mark Word信息。
  • 轻量级锁分为普通自旋锁和自适应自旋锁。
  • 两者区别在于自旋次数。普通自旋锁的自旋次数是固定的，默认为10次，可通过-XX:PreBlockSpin进行修改。而自适应自旋锁是历史占锁自旋的时间及锁状态来动态调整的。

重量级锁

重量级锁应用了操作系统底层的互斥锁，会发生用户态和内核态之间的切换，所以开销较大。

每一个对象均关联一个监视器，监视器实现类为ObjectMonitor，在其内部存在以下属性：

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Owner：记录获取到锁的线程。
Cxq:竞争队列，为单向链表，请求锁的线程会被放在其中。
EntrySet:存储候选线程。
WaitSet:存储调用wait()方法的线程。

获取锁的流程如下：

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线程通过CAS自旋获取不到锁时，会进入到Cxq队列中等待。
如果Owner线程释放锁，则会将Cxq中的线程转移到EntryList中，并指定Head线程为OnDeck Thread。
OnDeck Thread线程重新竞争锁，获取到锁之后称为Owner Thread,不成功则继续等待。

在"等待-通知"中，wait()被调用时，JVM会释放Owner线程的资格，将其移入到WaitSet中，等待notify。notify()调用时，则会将WaitSet中的一个线程移动到EntryList队列中，故以上两个方法均需要在同步块中执行。