Java杂谈之synchronized锁升级

无聊望见了犹豫 达到理想不太易

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胡思乱想，枯木逢春

本来计划一个月更新一到两篇技术文章，由于最近生病只能在家吃饭和多次复查，原本一些的空闲时间被辗转于医院和做饭占用，生病后才能更深刻体会健康的重要性。

另外由于搬家周末也是几乎都没有什么时间，搬东西时发现东西越搬越多，很多估计以后永远不会再用到的东西，看到这些想起小学时学过的一篇文章《哨子》，买了很多无用的东西同时又缺少断舍离的勇气，导致杂物缠身。以后买东西切记不要为一个“哨子”付出过高的代价，同时该舍弃时就要舍弃，太深的留恋反而变成了牵绊。

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用户态与内核态

所有的JVM底层原理逃不开操作系统，从操作系统层面看程序分为内核态和用户态

什么是用户态和内核态

• 用户态：只能受限的访问内存，且不允许访问外围设备，占用cpu的能力被剥夺，cpu资源可以被其他程序获取。
• 内核态：cpu可以访问内存的所有数据，包括外围设备，例如硬盘，网卡，cpu也可以将自己从一个程序切换到另一个程序。

为什么要有用户态和内核态？

由于需要限制不同的程序之间的访问能力, 防止他们获取别的程序的内存数据, 或者获取外围设备的数据, 并发送到网络, 划分出两个权限等级 – 用户态和内核态。

为什么要讲用户态和内核态？

因为要理解syncronized锁升级就必须有这方面的基础，JVM更多的是定义规范实现很多种，本文主要介绍oracle实现的Hotspot版本，像IBM的J9、taobaoVM都有类似的实现。

syncronized锁升级

很多文章已经介绍过JDK早期（1.6之前不包括1.6），syncronized是重量级锁。

什么是锁

从古代的门闩、铁锁到现在的密码锁、指纹锁，锁的便携性和安全性不断提高，对私有财产保护更加高效和健全。在计算机世界里，单机线程时代里没有锁的概念。自从出现了资源竞争，我们才意识到需要对部分场景执行的现场加锁表明自己短暂的拥有。计算机开始的锁都是悲观锁，发展到现在乐观锁、偏向锁、分段锁等。锁主要提供了两种特性：互斥性和不可见性。因为有锁的存在，某些操作对外界来说是黑箱进行的，只有锁的持有者才知道对变量做了什么修改。

什么是重量级锁？

早期synchronized因为申请锁资源必须通过内核kernel系统调用，所以称为重量级锁。

为什么是重量级锁

为什么经过内核就是重量级锁了？？？这就要从synchronized底层说起，早期底层实现为了简便直接用了互斥锁，synchronized应该称为监视器锁（Monitor）本质是依赖于底层的操作系统的Mutex Lock（互斥锁）来实现的。每个对象都对应于一个可称为" 互斥锁" 的标记，这个标记用来保证在任一时刻，只能有一个线程访问该对象，这个互斥锁的CPU与内存的北桥信号或总线。同时，执行互斥锁需要操作系统的调用，由于Java的线程是映射到操作系统的原生线程之上的，如果要阻塞或唤醒一条线程，都需要操作系统来帮忙完成，这就需要从用户态转换到内核态中，状态转换需要耗费很多的处理器时间。所以synchronized是Java语言中的一个重量级操作，重量的原因是需要操作系统大哥帮忙调度，这就会涉及系统调用和中断，下面汇编代码简单说明系统调用过程

section .text
global _start
_start:

    mov edx, len
    mov ecx, msg
    mov ebx, 1 ;文件描述符1 std_out
    mov eax, 4 ;write函数系统调用号 4
    int 0x80

    mov ebx, 0
    mov eax, 1 ;exit函数系统调用号
    int 0x80

当程序执行系统调用时首先使用类似int 80H的软中断命令保存现场，去系统调用、内核执行、然后恢复现场，每个线程都会有两个栈，一个内核态栈和一个用户态栈。当中断执行时就会有用户态转到内核态，系统调用会执行栈的切换，而且内核态对用户态是不信任的，需要做一系列额外的检查，系统调用的返回过程需要很多检查比如是否需要调度、同时还要保存上下文，这都是说明为什么是重量级锁的原因。

为什么说是同步监视器

先看如下代码，一个简单的synchronized代码块

public class SynLock {
   
   
    public void testSynBlock() {
   
   
        synchronized (this) {
   
   
            System.out.println("steven");
        }
    }
}

javac编译后可以看下字节码，如果用文本工具直接打卡都是16进制代码，除了最开始java版本基本看不懂，所以用javap反编译来看，javap可以把字节码编译成一些可读的代码形式，反编译class后如下：