偏向锁为什么要升级成轻量级锁

偏向锁是Java中用于提高单线程执行性能的一种优化手段。它适用于多线程环境下只有一个线程访问同步块的情况。

偏向锁的设计思想是，当一个线程访问同步块时，首先会将对象头中的标记设置为偏向锁，并将当前线程ID记录在对象头中。之后，线程进入同步块时，不需要进行任何同步操作，直接执行同步块的代码。这样可以避免了多线程竞争带来的性能损失。

但是，当有多个线程竞争同一个锁时，偏向锁就不再适用了。这时候就需要升级成轻量级锁。轻量级锁是为了解决多线程竞争同一个锁而引入的一种优化机制。

轻量级锁的设计思想是，在多个线程竞争同一个锁时，首先会尝试使用CAS操作来获取锁，如果成功则可以继续执行同步块的代码，否则会升级为重量级锁（使用互斥量）。

升级成轻量级锁的原因是，虽然偏向锁在单线程环境下性能很好，但是在多线程环境下会带来额外的开销。因为每次线程访问同步块时都需要检查对象头的偏向锁标记，并且可能会涉及到偏向锁的撤销操作。而轻量级锁通过CAS操作来尝试获取锁，避免了偏向锁的额外开销，提高了多线程环境下的性能。

相关问题：
1. 什么是偏向锁？它的原理是什么？
2. 偏向锁在什么情况下会失效？
3. 轻量级锁是如何实现的？它与重量级锁有什么区别？