在Java虚拟机（JVM）中，`synchronized`关键字用于实现同步，确保多个线程在访问共享资源时的一致性和线程安全。JVM对`synchronized`进行了优化，以适应不同的竞争场景，这种优化主要体现在锁的膨胀过程，即从偏向锁到轻量级锁，再到重量级锁的转变。下面我们将详细介绍这一过程以及锁在内存中的变化。
### 1. 偏向锁
在JDK 1.6中引入了偏向锁，其主要解决无竞争下的锁性能问题。偏向锁的核心思想是，当一个线程第一次获得锁时，JVM会利用CAS操作在对象头上的Mark Word部分设置线程ID，表示这个对象偏向于当前线程。这样，在后续的锁操作中，如果发现Mark Word中的线程ID与当前线程ID一致，则无需再进行CAS操作，直接获得锁。这种锁方式在无竞争的情况下非常高效，因为它避免了重量级锁的开销。
### 2. 轻量级锁
当有其他线程尝试获取已经被偏向的锁时，JVM需要撤销偏向锁，并切换到轻量级锁实现。轻量级锁依赖于CAS操作Mark Word来尝试获取锁。如果成功，则使用轻量级锁；如果失败，则进一步升级为重量级锁。在轻量级锁状态下，虚拟机会在当前线程的栈帧中建立一个锁记录（Lock Record），用于存储对象MarkWord的拷贝。然后，虚拟机会使用CAS操作尝试将对象的MarkWord指向栈中的Lock Record。如果操作成功，说明线程获取到了锁；否则，线程会自旋等待获取锁。当自旋超过一定次数后，轻量级锁可能会升级为重量级锁。
### 3. 重量级锁
重量级锁是JVM在面对高竞争场景时使用的锁机制。在这种状态下，锁的获取和释放涉及到操作系统的互斥量（mutex），需要进行系统调用，导致线程在用户态和内核态之间切换，开销较大。重量级锁适用于有大量线程参与锁竞争的情况。
### 锁内存的变化
在锁的膨胀过程中，锁的内存表示也会发生变化。在偏向锁状态下，Mark Word中存储的是偏向线程的ID。在轻量级锁状态下，Mark Word中存储的是指向线程栈中Lock Record的指针。而在重量级锁状态下，Mark Word中存储的是指向重量级锁（Monitor）的指针，Monitor中包含了等待锁的线程队列等信息。
### 总结
锁的膨胀过程是JVM根据锁的竞争情况动态调整锁实现的过程。从偏向锁到轻量级锁，再到重量级锁，JVM试图在无竞争和高竞争场景下都提供高效的锁机制。这一过程中，锁在内存中的表示也会随之变化，以适应不同的锁实现方式。通过这种动态调整，JVM能够在不同的应用场景下保持较好的性能。
