引言：线程安全问题

什么是线程安全问题？当多个线程并发的访问一个Java对象时，无论系统如何调度这些线程，这个对象都能表现出一致的、正确的行为，那么我们就说对这个对象的操作是线程安全的。反之，对这个线程的操作不是线程安全的，发生了线程安全问题。

本文将回答如下几个问题：synchronize是如何保证线程安全的？ synchronize加锁到底是怎么加的？ 锁信息放在Object对象的什么位置？ 如何查看锁升级的具体过程?等等。

关于synchronize的使用场景、synchronize与ReentryLock有什么区别将在下一期介绍Lock的博客中给出。

Java内置锁的核心原理

Java内置锁是一种互斥（独占）锁。当线程A占有一个对象的锁，线程B也想要尝试获取这个对象的内置锁时，线程B会等待或阻塞，直到线程A执行完成后后释放锁（抛出异常也会释放），如果线程A不释放，线程B将会永远等待下去。

Java中的每个对象都已可用作内置锁。线程进入同步代码块时会自动获取改锁，在退出代码块时会自动释放该锁。

1. synchronized关键字

synchronize关键字的使用方式有三种：

1.修饰一个普通方法

public synchronized void add1() {
   val ++;
}

此时仅有一个线程可进入这个对象的这个同步方法。这时候锁是加在这个对象上的，即这个对象的this属性。

2.修饰代码块

public void add3() {
   synchronized (this) {
      val ++;
   }
}

与上面的代码稍有不同，synchronize修饰的是一段代码，因为很多情况下并不需要将整个方法全部锁住，仅锁住部分代码即可保证线程安全的执行。

还有一点不同的是我们既可以使用synchronize包裹住this对象，也可以包裹住其他的对象，实现更为灵活的锁操作。

3.修饰一个静态方法

public static synchronized void add2() {
   val ++;
}

Java的对象可以分为两大类，一类是Object对象，分配在JVM的堆中，另一类是Class对象，存放在方法区（Java1.8 的HotSpot实现中称为元空间），JVM中一个Class文件只会有一个Class类，而由Class实例化出的Object对象会有很多个。synchronize修饰静态方法时便是将锁加在了Class对象中。

小结：以上三种加锁的方法各异，但本质类似，都是锁住了一个Java对象从而实现一次只有一个线程可以访问同步代码块。好，了解了原理，那我们就来看看他的实现，synchronize具体是实现如何锁住一个对象的？

2. Java对象结构与内置锁

在介绍内置锁之前，有必要先和大家介绍下Java对象的结构。

一个Java对象可以分为三个部分：

1）对象头

对象头又包含三个字段：第一个是Mark Word，用来存储对象的GC信息，锁信息，hashcode值等。第二个是Class Pointer，存放的是类指针，虚拟机通过这个类指针这个对象是哪个类的实例。第三个是Array Length，是一个可选字段，当此对象为数组时才会存在，用于记录数组长度的数据。

2）对象体

这部分包含对象的实例变量，包含父类的属性，这部分按照4字节对齐。

3）对齐字节

也叫填充区，其作用是保证这个对象占用的内存字节数为8的整数倍，因为对象头是8位的，所以仅需保证对象体也是8的倍数即可，当对象的实例变量数据不为8的倍数时，便需要填充来保证8字节的对齐。

Mark Word、Class Pointer、Array Length等字段的长度都与JVM的位数有关。Mark Word的长度为JVM的一个Word（字）大小，也就是说32位JVM的Mark Word为32位，64位JVM的Mark Word为64位。Class Pointer（类对象指针）字段的长度也为JVM的一个Word（字）大小，即32位JVM的Mark Word为32位，64位JVM的Mark Word为64位。所以，在32位JVM虚拟机中，Mark Word和Class Pointer这两部分都是32位的；在64位JVM虚拟机中，Mark Word和ClassPointer这两部分都是64位的。

不同锁状态下32位Mark Word的结构信息

64位的Mark Word与32位的Mark Word结构相似，

不同锁状态下64位Mark Work的结构信息

对象加内置锁及锁的升级过程

无锁 --> 偏向锁：

当一个线程进入同步代码块时，发现此对象没有线程占用，那么这个对象就使用CAS（null, threadID）null是期望的值，threadID是将要写入的值，将自己的线程ID写入对象的Mark Word中，如果写入成功，即对象中没有threadID，则对象由原来的无锁状态变为偏向锁状态，lock不变化，为01，将偏向锁的标志位biased发生变化，由0变为1。

偏向锁 --> 轻量级锁：

当一个线程进入同步代码块时，使用CAS（null, threadID）将自己的线程ID写入对象的Mark Word中，如果写入失败，则说明此时线程已经被占用，则撤销对象的偏向锁定状态，升级为轻量级锁。对象Mark Word中的lock位由01变为00；

轻量级锁 --> 重量级锁：

轻量级锁的本意是为了减少多线程进入操作系统底层的互斥锁（Mutex Lock）的概率，并不是要替代操作系统互斥锁。所以，在争用激烈的场景下，轻量级锁会膨胀为基于操作系统内核互斥锁实现的重量级锁。轻量级锁升级为重量级锁的条件较为复杂，我们下一讲在详细探究。