synchronized锁是Java中实现线程安全的基本机制，通过对象的监视器来实现线程间的同步。为了提高并发性能，Java引入了偏向锁、轻量级锁和重量级锁等升级机制。其中，偏向锁适用于同一线程多次获得锁的场景；轻量级锁适用于竞争不激烈的场景；重量级锁适用于竞争激烈的场景。
一、synchronized锁的基本原理
synchronized是Java中用于实现线程安全的关键字，它可以应用于方法或代码块。当一个线程进入synchronized代码块时，它将获得一个锁，其他线程在尝试进入同步代码块时会被阻塞，直到持有锁的线程释放锁。
synchronized锁的基本原理是基于对象的监视器（monitor）。每个Java对象都有一个与之关联的监视器，这个监视器可以被一个线程持有。当一个线程获取到对象的监视器时，它就可以执行同步代码块，其他线程则需要等待。
二、synchronized锁的升级
尽管synchronized锁是简单易用的，但在高并发场景下性能可能不尽如人意。为了提高并发性能，Java引入了一些锁的升级机制，具体如下：
1、偏向锁（Biased Locking）
偏向锁是JDK 6中引入的一种优化机制。它的设计初衷是针对没有竞争的场景，假设在多数情况下，锁总是由同一线程多次获得的。在偏向锁状态下，当一个线程获取到锁后，会在对象头中记录下自己的线程ID。这样，下次该线程再次获取锁时，无需进行同步操作，可以直接进入临界区。
2、轻量级锁（Lightweight Locking）
轻量级锁是JDK 6中对synchronized锁的升级改进。它的目标是在多个线程交替执行同步块的情况下，减少传统的重量级锁的开销。轻量级锁的实现方式是通过CAS（Compare and Swap）操作来实现，将对象头中的一部分空间作为锁记录。当多个线程竞争同一锁时，会尝试使用CAS操作来获取锁，成功则进入临界区，失败则升级为重量级锁。
3、重量级锁（Heavyweight Locking）
重量级锁是synchronized锁的默认状态，也是最常见的状态。当多个线程竞争同一锁时，会进入重量级锁状态。在重量级锁状态下，竞争失败的线程会进入阻塞状态，被放入锁的等待队列中。只有持有锁的线程释放锁后，等待队列中的线程才有机会获取锁进入临界区。
三、各个锁的状态对比
下面对偏向锁、轻量级锁和重量级锁进行简要对比，以便更好地理解它们之间的差异。
1、偏向锁
- 适用场景：适用于多数情况下锁总是由同一线程多次获得的场景。
- 获取锁的代价：获取偏向锁的代价非常低，几乎没有额外开销。
- 竞争情况：当其他线程尝试竞争偏向锁时，偏向锁会自动升级为轻量级锁。
2、轻量级锁
- 适用场景：适用于多个线程交替执行同步块的情况，竞争不激烈的场景。
- 获取锁的代价：获取轻量级锁的代价相对较低，需要进行CAS操作。
- 竞争情况：当竞争激烈或者CAS操作失败时，轻量级锁会自动升级为重量级锁。
3、重量级锁
- 适用场景：适用于竞争激烈的场景，多个线程频繁争夺同一个锁的情况。
- 获取锁的代价：获取重量级锁的代价相对较高，需要进行线程阻塞和唤醒操作。
- 竞争情况：当持有锁的线程释放锁后，等待队列中的线程按照FIFO顺序竞争锁的获取。
需要注意的是，锁的升级过程是自动进行的，开发者无需手动干预。JVM会根据锁的竞争情况自动切换锁的状态，以平衡性能和线程公平性。
在实际开发中，选择合适的锁取决于具体的应用场景和线程竞争情况。如果线程之间的竞争非常激烈，可以考虑使用其他更高级的锁机制，如并发包中提供的ReentrantLock、ReadWriteLock等，它们提供了更细粒度的控制和更高的并发性能。
