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Java–synchronize关键字

synchronize是JDK中的一个关键字。是用来实现线程安全的。接下来，我们好好的研究下synchronize的魅力。

使用场景

1. 修饰实例方法 — 这个锁是作用在当前实例对象上的。当我们要进入到同步代码之前，我们需要当前实例对象获得锁。在执行完代码后，要释放锁。
2. 修饰静态方法 — 这个锁是作用在类对象上的。当我们要执行同步代码的时候，要获取到类对象的锁
3. 修饰代码块 — 指定了锁的对象，默认情况下，我们会使用this作为加锁条件。当我们使用this的时候，就相当于是第一种情况的当前实例对象。

注意，这三种情况的获取锁、释放锁都是JDK自己完成的。不需要我们手动的完成。

synchronize关键字原理

既然我们说了这么多，那么在JDK的底层中，对于synchronize关键字是怎么处理的呢？在这里，我们在解释这个问题，要先引申出另一个问题 — 什么是Monitor？

Monitor解释

对于Monitor,我们可以把它理解成一个同步工具，也可以理解为一种同步机制，但是更多的，我们将它描述为一个对象。对于Monitor，它是线程私有的数据结构，而这个Monitor在什么地方呢？其实，Monitor在Java的对象头中。

那么Monitor到底是什么呢？其实Monitor只是一种数组结构，在Monitor中，包含了以下的信息：

1. _owner：指向持有ObjectMonitor对象的线程
2. _WaitSet：存放处于wait状态的线程队列
3. _EntryList：存放处于等待锁block状态的线程队列
4. _recursions：锁的重入次数
5. _count：用来记录该线程获取锁的次数

当多个线程同时访问一段同步代码时，首先会进入_EntryList队列中，当某个线程获取到对象的monitor后进入_Owner区域并把monitor中的_owner变量设置为当前线程，同时monitor中的计数器_count加1。即获得对象锁。

若持有monitor的线程调用wait()方法，将释放当前持有的monitor，_owner变量恢复为null，_count自减1，同时该线程进入_WaitSet集合中等待被唤醒。若当前线程执行完毕也将释放monitor(锁)并复位变量的值，以便其他线程进入获取monitor(锁)。

而对于synchronize而言，我们获取锁的过程，其实就是对象的一个从Monitor的进入到走出的过程。当对象获得锁的时候，此时使用的是monitorenter指令，而对象释放锁的时候，此时使用的是monitorexit指令。对于JDK1.5以及之前的synchronize,采用的就是这样的方式，但是这样的方式需要与操作系统进行打交道，因此，我们经常称呼为重量级锁。而线程之所以能够知道当前线程需不需要锁，也是通过方法上修饰的ACC_SYNCHRONIZED来进行判断的。

Java的对象头

那么什么是Java的对象头呢？其实，在JVM中，我们的每个对象，都是由对象头和实例数据两部分组成的。对象头保存了一个对象的元数据信息，而其他的数据，则是存在了实例对象中，那么对象头，都是由什么组成的呢？其实，对象头是由markword、类型指针和数组长度(可选，只有对象为数组的时候，才存在这个值)组成的。

markword

接下来，我们解释一下各个字段的含义

biased_lock

在JDK1.6的版本之后，JDK的库工程师们对于synchronize关键字进行了优化，从之前的重量级锁，改成了可以是无锁、偏向锁、轻量级锁和之前就有的重量级锁。而这个字段表示的就是当前的锁状态是否是偏向锁，如果是1的话，则表示的是当前对象启用了偏向锁，而0表示的是当前对象并未启用偏向锁。在markword中，这个字段仅仅占用1位。

lock

这个字段表示的是锁的一个状态，由2位组成。我们可以将这个状态以一个表格的形式展示出来

biased_lock	lock	含义
0	01	无锁
1	01	偏向锁
0	00	轻量级锁
0	10	重量级锁
0	11	GC标记

age

这个字段表示的是Java对象的一个年龄。由4位组成。在GC中，如果对象在Survivor中存活一次，则直接age加1，当超过了设置的年龄阈值的时候，此时对象会晋升到老年代。默认情况下，并行GC的年龄阈值为15，并发GC的年龄阈值为6。由于age只有4位，所以最大值为15，这就是-XX:MaxTenuringThreshold选项最大值为15的原因。

identity_hashcode：

25位的对象标识Hash码，采用延迟加载技术。调用方法System.identityHashCode()计算，并会将结果写到该对象头中。当对象被锁定时，该值会移动到管程Monitor中。

thread

持有偏向锁的线程ID

epoch

偏向时间戳

ptr_to_lock_record

指向栈中锁记录的指针

ptr_to_heavyweight_monitor

指向管程Monitor的指针

类型指针

这一部分用于存储对象的类型指针，该指针指向它的类元数据，JVM通过这个指针确定对象是哪个类的实例。该指针的位长度为JVM的一个字大小，即32位的JVM为32位，64位的JVM为64位。

如果应用的对象过多，使用64位的指针将浪费大量内存。为了节约内存可以使用选项+UseCompressedOops开启指针压缩，其中，oop即ordinary object pointer普通对象指针。开启该选项后，下列指针将压缩至32位：

1. 每个Class的属性指针（即静态变量）
2. 每个对象的属性指针（即对象变量）
3. 普通对象数组的每个元素指针

当然，也不是所有的指针都会压缩，一些特殊类型的指针JVM不会优化，比如指向PermGen的Class对象指针(JDK8中指向元空间的Class对象指针)、本地变量、堆栈元素、入参、返回值和NULL指针等。

数组长度

如果对象是一个数组，那么对象头还需要有额外的空间用于存储数组的长度，这部分数据的长度也随着JVM架构的不同而不同：32位的JVM上，长度为32位；64位JVM则为64位。64位JVM如果开启+UseCompressedOops选项，该区域长度也将由64位压缩至32位。

synchronize优化

jdk1.6以后对synchronized的锁进行了优化，引入了偏向锁、轻量级锁，锁的级别从低到高逐步升级：无锁->偏向锁->轻量级锁->重量级锁。

synchronize锁升级过程

下面，我们可以借用网上的一张图片来进行说明

总结

对于同步方法，synchronize可谓是元老级的任务。对于synchronize的研究，在日后的学习中，还是很有必要的。对我们的帮助也是很大的。

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