自旋锁与自适应自旋

同步互斥对性能最大的影响是阻塞的实现，挂起和恢复线程的操作都需要转入内核态中完成，这些操作带来了并发性能的巨大压力。有时共享数据的锁定状态只会持续很短的时间，为了这段时间挂起并恢复线程并值得，如果处理器能够同时处理两个或以上的线程，不妨让线程先等待一下，看看持有锁的线程是否会很快释放锁，为了让线程等待，我们只需让线程执行一个忙循环（自旋），这项技术就是所谓的自旋锁。
自旋等待不能代替阻塞，且不说对处理器核心数的要求，如果所被占用时间很短，自旋等待的效果就会非常好，反之，如果锁被占用的时间很长，那么自旋的线程将白白浪费处理器资源，而不会做任何有用的工作，反而带来性能上的浪费。因此自旋等待必须有一定的限度，如果自旋超过了限定次数仍然没有成功获得锁，就应该放弃字段并挂起线程。

锁消除

锁消除是指虚拟机即编译器在运行时，对一些代码上要求同步，但是被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行消除。锁消除的主要判定依据来源于逃逸分析的数支持，如果判断一段代码中，堆上所有的数据都不会逃逸出去而被其他线程访问到，那就可以把它们当做栈上数据对待，认为它们是线程私有的，同步枷锁自然无须进行。

锁粗化

原则上，我们在编写代码的时候，总是推荐将同步块的作用范围限制的尽量小——只在共享数据的实际作用域中才进行同步，这样是为了使得需要同步的操作尽可能变小，如果存在锁竞争，那等待锁的线程也能尽快拿到锁。
大部分情况下，上面的原则都是正确的，但是如果一系列连续操作都对用一个对象反复加锁和解锁，甚至加锁操作出现在循环体重，那即时没有线程竞争，频繁地进行互斥同步操作也会导致不必要的性能损耗。
如果虚拟机探测到有这样一串零碎的操作都对同一个对象加锁，将会把加锁同步的范围扩展（粗化）到整个操作序列的外部，这样只需要加锁一次就可以了。

轻量级锁

轻量级锁并不是用来代替重量级锁的，它的本意是在没有多线程竞争的前提下，减少传统的重量级锁使用操作系统互斥量产生的性能消耗。
在代码进入同步块的时候，如果此同步对象没有被锁定（对象头锁标志位为“01”状态），虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前Mark Word的拷贝。
然后，虚拟机将使用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针，如果这个更新动作成功了，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象Mark Word的锁标志位（Mark Word的最后2bit）将转变为“00”，即表示此对象处于轻量级锁定状态。
如果这个更新操作失败了，虚拟机首先会检查对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果是则说明当前线程拥有了这个对象的锁，那就可以直接进入同步块继续执行，否则说明了这个锁对象已经被其他线程抢占了。如果有两条以上线程争用同一个锁，那轻量级锁就不再有效，要膨胀为重量级锁，锁标志状态值变为“10”，Mark Word中存储的就是指向重量级锁（互斥量）的指针，后面等待锁的线程也要进入阻塞状态。
上述描述的是轻量级锁的加锁过程，它的解锁过程也是通过CAS操作来进行的，若果对象的Mark Word仍然指向线程的锁记录，那就用CAS操作把对象当前的Mark Word和线程中复制的Displaced Mark Word替换回来，如果替换成功，整个同步过程就完成了。如果替换失败，说明有其他线程尝试获取该锁，那就释放锁的同时，唤醒被挂起的线程。
轻量级锁能提升同步性能的依据是“对于绝大部分的锁，在整个同步周期内都是不存竞争的”，这是一个经验数据。如果没有竞争，轻量级锁使用CAS操作避免了使用互斥量的开销，但如果存在竞争，除了互斥量的开销外，还额外发生了CAS操作，因此有竞争的情况下，轻量级锁会比传统的重量级锁更慢。

偏向锁

偏向锁的目的是消除数据在无竞争情况下同步原语，进一步提高程序的运行性能。如果说轻量级锁是在无竞争的情况下使用CAS操作去消除同步使用的互斥量，那偏向锁就是在无竞争的情况下把整个同步都消除掉，连CAS操作都不做了。
偏向锁的“偏”，它的意思就是这个锁会偏向于第一个获得它的线程，如果在接下来的执行过程中，改锁没有被其他的线程获取，则持有偏向锁的线程将永远不需要再进行同步。
假设当前虚拟机启用了偏向锁，当锁对象第一次被线程获取的时候，虚拟机将会吧对象头中的标志位设为“01”，即偏向模式，同时使用CAS操作吧获取到这个锁的线程ID记录在对象的Mark Word之中，如果CAS操作成功，持有偏向锁的线程以后每次进入这个锁相关的同步块时，虚拟机都可以不再进行任何同步操作。
当有另外一个线程去尝试获取这个锁时，偏向模式就宣告结束。根据锁对象目前是否处于被锁定的状态，撤销偏向（Revoke Bias）后恢复到未锁定（标志位“01”）或轻量级锁定（标志位为“00”）的状态，后续的同步操作就如上面的轻量级锁那样执行。

偏向锁、轻量级锁的状态转化及对象Mark Word的关系

偏向锁可以提高带有同步但不竞争的程序性能。它同样是一个带有效益权衡（Trade Off）性质的优化，也就是说，它并不一定总是对程序运行有利。如果程序中大多数的锁总是被多个不同的线程的访问，那偏向模式就是多余的。

参考资料

• 深入理解Java虚拟机 JVM高级特性与最佳实践 第2版