Synchronized之管程

Java对象如何与Monitor关联

如图所示，依次对图中进行解释。

java对象与monitor的关联图

1. 我们知道JVM堆中存放的是对象实例。对象实例包括几个部分。分别是与对象实例无关的对象头，实例数据，填充数据。
2. 对象头中包括几个部分：Mark Word和指向元数据的指针。所占内存为2*JVM位数（在32bitJVM中就占8个字节）。Mark Word和指向元数据的指针分别占一个JVM位数。注意：如果对象是数组，则是3*JVM位数，多一个表示数组的长度。
3. Mark Word，存储对象的hashCode、GC分代年龄以及锁信息。只有1个JVM位数，那么到底存的是啥？官方解释为：因为每个对象都会有，为了节省空间，JVM采用了空间复用。即当对象处于不同状态的时候，Mark Word存储的内容是不一样的。
   • 无锁态时：存储的是hashCode、分代年龄。
   • 重量级锁时：存储的是指向monitor的指针。synchronized是重量级锁。
4. monitor(又称管程)，在Java中是ObjectMonitor(JVM源码中C++实现)来实现管程。管程我们后续再说，现在只说它是对互斥量和信号量的封装即可。

Java中的管程

我们这里就说一下ObjectMonitor中几个关键字段的含义：

• _count：记录owner线程获取锁的次数。这句话很好理解，这也决定了synchronized是可重入的。
• _owner：指向拥有该对象的线程
• _WaitSet：存放处于wait状态的线程队列。
• _EntryList：存放等待锁而被block的线程队列。

_count和_owner很好理解，后面两个队列
我们举个例子来说明：假设我们写出如下代码：

image.png
image.png

1. 想要获取monitor的线程先进入monitor的_EntryList队列阻塞等待。即遇到synchronized关键字时。
2. 如果monitor的_owner为空，则从队列中移出并赋值与_owner。
3. 如果在程序里调用了wait()方法，则该线程进入_WaitSet队列。注意wait方法我们之前讲过，它会释放monitor锁，即将_owner赋值为null并进入_WaitSet队列阻塞等待。这时其他在_EntryList中的线程就可以获取锁了。
4. 当程序里其他线程调用了notify/notifyAll方法时，就会唤醒_WaitSet中的某个线程，这个线程就会再次尝试获取monitor锁。如果成功，则就会成为monitor的owner。
5. 当程序里遇到synchronized关键字的作用范围结束时，就会将monitor的owner设为null，退出。

说到这里大家可能会有疑问：上述的这些步骤是怎么实现的呢？
其实我们上面只说到了ObjectMonitor的几个成员变量，那么它肯定有成员方法来操作这些成员变量。如图：

image.png

• 我们可以知道其实上述的操作都对应了ObjectMonitor的方法。即wait/notify/notifyAll这些底层都是调用ObjectMonitor的方法而已。
• 这里我们可以回顾一下我们之前使用的synchronized+wait/notify/notifyAll来实现生产者和消费者的例子结合起来看。

管程

现在我们来回顾一下管程。

管程 (英语：Monitors，也称为监视器) 是一种程序结构，结构内的多个子程序（对象或模块）形成的多个工作线程互斥访问共享资源。

引入管程的原因
信号量机制的缺点：进程自备同步操作，P(S)和V(S)操作大量分散在各个进程中，不易管理，易发生死锁。
管程特点：管程封装了同步操作，对进程隐蔽了同步细节，简化了同步功能的调用界面。

简单地说管程就是一个概念，任何语言都可以实现。目的就是为了简化同步调用的过程。
回想一下刚才我们说的Java中的实现ObjectMonitor。它具体干了什么事，其实就是说管程需要干哪些事。

总结

1. Java对象与monitor的关联：通过在Java对象头中的mark word中存储了指向monitor的指针。
2. 明白了Java中的管程ObjectMonitor的工作原理，知道了Java语法中的wait/notify/notifyAll方法底层都是调用了ObjectMonitor的方法。
3. 明白了管程的概念，一种程序结构，封装了同步操作，避免直接使用PV信号量。