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一、背景
synchronized是Java语言实现多线程间同步的技术，它使用语法非常简单。但是它的原理确难倒了大多数Java工程师，由于它的实现原理在Jvm层面通过C++语言实现，对于Java主语言的开发者来说不是特别友好，而且锁升级原理是互联网公司面试常问的题目之一，你遇到这个问题的时候有没有和面试官讲清楚呢？如果你自己看过源码，我相信一定能和面试官好好说清楚，刚好最近花了两三周时间研读Jvm的源码，怎么给其他人讲清楚是一个比较难的事情，坚持有输入一定要有输出的理念，本文特地将学习到的记录下来，本文将结合Jvm源码层面来分析synchronized的原理，我相信看了源码和没看源码的理解的是不一样的，想从源码层面理解锁升级的同学快来一起探索synchronized的源码吧。
说明：本文基于openjdk 8源码：jdk8-b120
二、带着几个疑问去分析源码
1、偏向锁，轻量级锁，自旋锁，重量级锁，锁信息是怎么存储的？存在哪里？
可能很多人只知道对象头，今天看了源码后，你会发现没这么简单，加锁还会用到其他对象。
2、怎么知道一个对象被锁了？自旋锁到底是怎么做的？
开始分析源码
首先我们找加锁入口：
如何查看jvm的源码入口呢？我们可以先看下synchronized的字节码。
锁代码块的字节码：
锁方法的字节码：
通过字节码关键字，我们从Jdk源码可以找到bytecodeInterpreter.cpp
没错，bytecodeInterpreter.cpp就是Jvm解释字节码的代码逻辑。
锁是怎么存储的
了解synchronized锁，我们首先要知道锁存储在哪里？ 我们锁的操作目标对象是一个对象，这个对象要么是对象实例，要么是类对象，我们要知道锁是如何存储的，要先了解下面几个类。先有一个印象，后面加锁流程会涉及到。
锁定义
基础锁对象定义：轻量级锁用到
对象头（存储锁标记）定义：偏向锁，轻量级锁（栈锁），重量级锁都会用到
对象头存储：包含2位锁标记
监视器ObjectMonitor（重量级锁使用）
在Jvm的代码层，加锁逻辑分为快速和慢速加锁两个阶段，下面我们一个一个分析。
快速加锁阶段：偏向锁
jvm代码段偏向锁是快速加锁，所谓快速加锁阶段，就是尝试加偏向锁的过程,加锁逻辑在ObjectSynchronizer::fast_enter方法
上面就是调用偏向锁对象加偏向锁，那么偏向锁怎么加的呢？
看到这里就是加偏向锁成功了。现在用下面的图总结下，偏向锁怎么算加锁成功。
到这里，快速加锁阶段完成，也就是偏向锁加锁完成：通过一次cas操作设置对象头里面的加锁线程id，同时设置最低3位的锁标记位为101，这也是偏向锁存储在哪的答案。
如果快速加锁失败，则会进入慢速加锁过程，慢速加锁包含轻量级锁，自旋锁，重量级锁加锁过程。
慢速加锁阶段1: 轻量级锁加锁过程
慢速加锁过程包括轻量级锁和重量级锁，先看轻量级锁加锁过程，加锁逻辑在ObjectSynchronizer::slow_enter
轻量级锁加锁过程，首先将对象头复制到线程的锁对象上，然后通过cas将锁对象设置到对象头markword上。
看到到这里，轻量级锁加锁流程已经完成，首先复制一份加锁对象对象头markword到线程私有的BasicLock对象上，再通过cas操作将锁对象设置到加锁目标对象对象头。所以轻量级锁存储会用到BasicLock和锁目标对象的对象头markword,需要注意的是BasicLock每个线程独有的。
慢速加锁(锁膨胀)过程2:自旋锁锁加锁过程
ObjectSynchronizer::inflate(THREAD, obj())->enter(THREAD);
第一步，获取ObjectMonitor对象，也就是自旋锁和重量级锁都是基于ObjectMonitor完成的。
我们以对象头上已经有其他线程加了轻量级锁为前提继续看源码。
//获取一个对象监视器对象
ObjectMonitor * ATTR ObjectSynchronizer::inflate (Thread * Self, oop object) {
for (;;) {
// CASE: 已经是轻量级锁的情况
if (mark->has_locker()) {
ObjectMonitor * m = omAlloc (Self) ;
m->Recycle();
m->_Responsible = NULL ;
m->OwnerIsThread = 0 ;
m->_recursions = 0 ;
m->_SpinDuration = ObjectMonitor::Knob_SpinLimit ;
markOop cmp = (markOop) Atomic::cmpxchg_ptr (markOopDesc::INFLATING(), object->mark_addr(), mark) ;
if (cmp != mark) {
omRelease (Self, m, true) ;
continue ; // Interference -- just retry
}
markOop dmw = mark->displaced_mark_helper() ;
assert (dmw->is_neutral(), "invariant") ;
// Setup monitor fields to proper values -- prepare the monitor
m->set_header(dmw) ;
m->set_owner(mark->locker());
m->set_object(object);
//膨胀完成，设置膨胀状态
object->release_set_mark(markOopDesc::encode(m));
return m ;
}
// CASE: 无锁情况
assert (mark->is_neutral(), "invariant");
ObjectMonitor * m = omAlloc (Self) ;
m->set_header(mark);
return m ;
}
}
这里获取到监视器对象，此时对象头已经设置为膨胀状态，为后续获取自旋锁和重量级锁做准备。这里注意获取到的监视器对象是所有线程共享的。
接着进入加锁逻辑在ObjectMonitor::enter(TRAPS)
1、重入锁或者当前线程加锁的情况
2、自旋锁
如果不是重入，且有其他线程抢占锁，开始尝试自旋转加锁。
首先尝试固定次数自旋
接着尝试自适应自旋
自旋锁，包含固定次数自旋和自适应次数自旋, 自适应自旋会根据自旋成功失败增加或者减少下次自旋次数。
我们可以发现自旋锁加锁是通过ObjectMonitor存储的。
慢速加锁过程3:重量级锁加锁过程
首先修改线程状态为阻塞状态。
接着再尝试自旋加锁，如果自旋加锁失败，线程park阻塞
升级为重量级锁后，加锁失败的线程进入阻塞状态，并进入等待队列等待被唤醒。
升级为重量级锁后，对象头的分布情况：
三、总结
本文从源码分析synchronized锁升级的过程，包含偏向锁，轻量级锁，自旋锁，重量级锁。最后对文章开头的疑问做一次回答作为文章的总结。
1、偏向锁，轻量级锁，自旋锁，重量级锁，加锁信息是怎么存储的？存在哪里？
偏向锁存储在加锁目标对象的对象头上。分布存储加偏向锁成功的线程id和锁标记。
轻量级锁存储在加锁线程独有的
BasicLock对象，以及加锁目标对象的对象头markword上
自旋锁和重量级锁存储在ObjectMonitor对象，等待锁的线程存储在ObjectMonitor的队列上，锁标记同样存储在加锁对象的对象头上
2、怎么知道一个对象被锁了？自旋锁什么时候怎么做的？
通过加锁对象头markword可以知道对象当前加了哪种锁。
自旋锁是获取监视器对象后，再自旋加锁的，有固定次数自旋和自适应自旋两种机制，和重量级锁一样通过ObjectMonitor的_owner字段存储加锁成功的线程指针。
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