什么是锁升级(锁膨胀)？
JVM优化synchronized的运行机制，当JVM检测到不同的竞争状态时，就会根据需要自动切换到合适的锁，这种切换就是锁的升级。升级是不可逆的，也就是说只能从低到高，也就是偏向-->轻量级-->重量级，不能够降级
锁级别：无锁->偏向锁->轻量级锁->重量级锁
java对象头
synchronized用的锁存在Java对象头里，Java对象头里的Mark Word默认存储对象的HashCode、分代年龄和锁标记位。在运行期间，Mark Word里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。32位JVM的Mark Word可能变化存储为以下5种数据：
CAS
compareAndSwap，比较并替换，是一种实现并发算法时常用到的技术CAS需要有3个操作数：内存地址V，旧的预期值A，即将要更新的目标值B；比如你要操作一个变量，他的值为A，你希望将他修改为B，这期间不会进行加锁，当你在修改的时候，你发现值仍旧是A，然后将它修改为B，如果此时值被其他线程修改了，变成了C，那么将不会进行值B的写入操作，这就是CAS的核心理论，通过这样的操作可以实现逻辑上的一种“加锁”，避免了真正去加锁。
public final int incrementAndGet() {
for (; ; ) { //自旋
int current = get(); //旧值
int next = current + 1; //新值
if (compareAndSet(current, next)) //如果旧的预期值与内存中的值一致，那么将新值进行赋值，否则继续自旋
return next;
}
}
偏向锁
当一个线程访问同步块时，会先判断锁标志位是否为01，如果是01，则判断是否为偏向锁，如果是，会先判断当前锁对象头中是否存储了当前的线程id，如果存储了，则直接获得锁。如果对象头中指向不是当前线程id，则通过CAS尝试将自己的线程id存储进当前锁对象的对象头中来获取偏向锁。当cas尝试获取偏向锁成功后则继续执行同步代码块，否则等待安全点的到来撤销原来线程的偏向锁，撤销时需要暂停原持有偏向锁的线程，判断线程是否活动状态，如果已经退出同步代码块则唤醒新的线程开始获取偏向锁，否则开始锁竞争进行锁升级过程，升级为轻量级锁。
偏向锁应用的场景是一个同步代码块只有一个线程频繁访问，使用偏向锁，就不需要频繁使用CAS获取锁和释放锁，只需要简单判断对象头中记录的偏向锁的线程ID是否是当期线程的就可以了，所以偏向锁在这种场景下可以大大提升效率。
3.偏向锁关闭
偏向锁是默认开启的，而且开始时间一般是比应用程序启动慢几秒，如果不想有这个延迟，那么可以使用-XX:BiasedLockingStartUpDelay=0；
如果不想要偏向锁，那么可以通过-XX:-UseBiasedLocking = false来设置；
轻量级锁
当出现锁竞争时，会升级为轻量级锁。
在升级轻量级锁之前，JVM会先在当前线程的栈帧中创建用于存储锁记录的空间,即将对象头中用来标记锁信息相关的内容封装成一个java对象放入当前线程的栈帧中，这个对象称为LockRcord，然后线程尝试通过CAS将对象头中mark word替换为指向锁记录（lockrecord）的指针。如果成功则当前线程获取锁，如果失败则使用自旋来获取锁。自旋其实就是不断的循环进行CAS操作直到能成功替换。所以轻量级锁又叫自旋锁。
栈上分配LockRecord： lockrecord中包含了对象的引用地址。
对象头中markword替换锁记录指针成功之后如下图：
lockrecord的作用：在这里实现了锁重入，每当同一个线程多次获取同一个锁时，会在当前栈帧中放入一个lockrecord，但是重入是放入的lockrecord关于锁信息的内容为null，代表锁重入。当轻量级解锁时，每解锁一次则从栈帧中弹出一个lockrecord，直到为0.
轻量级锁重入之后如下图：
当通过CAS自旋获取轻量级锁达到一定次数时，JVM会发生锁膨胀升级为重量级锁。
原因：不断的自旋在高并发的下会消耗大量的cpu资源，所以jvm为了节省cpu资源，进行了锁升级。将等待获取锁的线程都放入一个等待队列中来节省cpu资源。
synchronized优化-锁消除
重量级锁
在重量级锁中将LockRecord对象替换为了monitor对象的实现。主要通过monitorenter和monitorexit两个指令来实现。需要经过系统调用，在并发低的情况下效率会低。
通过openJDK可以查看ObjectMonitor对象的结构：
ObjectMonitor() {
_header = NULL;
_count = 0;
_waiters = 0,
_recursions = 0;
_object = NULL;
_owner = NULL; //拥有当前对象的线程
_WaitSet = NULL; //阻塞队列
_WaitSetLock = 0 ;
_Responsible = NULL ;
_succ = NULL ;
_cxq = NULL ;
FreeNext = NULL ;
_EntryList = NULL ; //有资格成为候选资源的线程队列
_SpinFreq = 0 ;
_SpinClock = 0 ;
OwnerIsThread = 0 ;
_previous_owner_tid = 0;
}
使用monitor加锁如下图：
锁消除
说了锁升级过程，有必要说一下说一下锁消除和锁粗化。
在某些情况下，如果JVM认为不需要锁，会自动消除锁，比如下面这段代码：
public void add(String a,String b){
StringBuffer sb=new StringBuffer();
sb.append(a).append(b);
}
StringBuffer是线程安全的，但是在这个add方法中stringbuffer是不能共享的资源，因此加锁只会徒增性能消耗，JVM就会消除StringBuffer内部的锁。
锁粗化
在某些情况下，JVM检测到一连串的操作都在对同一个对象不断加锁，就会将这个锁加到这一连串操作的外部，比如：
StringBuffer sb=new StringBuffer();
while(i<100){
sb.append(str);
i++;
}
上述操作StringBuffer每次添加数据都要加锁和解锁，连续100次，这时候JVM就会将锁加到更外层（while）部分。
几种锁状态优缺点对比
总结
综上，我们发现偏向锁，轻量级锁（又称自旋锁或无锁），重量级锁都是synchronized锁锁实现中锁经历的几种不同的状态。
三种锁状态的场景总结：
只有一个线程进入临界区 -------偏向锁
多个线程交替进入临界区--------轻量级锁
多个线程同时进入临界区-------重量级锁
参考
(https://blog.csdn.net/qq_39487033/article/details/84261640)
多线程高并发：synchronized锁升级过程及其实现原理 - 知乎 (zhihu.com)
