Moniter

比眉伴天荒 2023-01-20 15:51 3阅读 0赞

了解这个Moniter的实现原理之前，可以说大家已经初步了解了synchronized的底层原理了。无论是同步方法还是同步代码块，无论是`ACC_SYNCHRONIZED`还是`monitorenter`、`monitorexit`都是基于`Monitor`实现的。

那我们就简单了解下什么Monitor吧！！！！  本文摘自：[http://47.103.216.138/archives/2030][http_47.103.216.138_archives_2030]

### 操作系统中的管程 ###

如果你在大学学习过操作系统，你可能还记得管程（monitors）在操作系统中是很重要的概念(当然我们也有操作系统这门课，至于学了啥，我也不懂吆！)。同样Monitor在java同步机制中也有使用。

> 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。这些共享资源一般是硬件设备或一群变量。管程实现了在一个时间点，最多只有一个线程在执行管程的某个子程序。与那些通过修改数据结构实现互斥访问的并发程序设计相比，管程实现很大程度上简化了程序设计。 管程提供了一种机制，线程可以临时放弃互斥访问，等待某些条件得到满足后，重新获得执行权恢复它的互斥访问。

### Java线程同步相关的Moniter ###

在多线程访问共享资源的时候，经常会带来可见性和原子性的安全问题。为了解决这类线程安全的问题，Java提供了同步机制、互斥锁机制，这个机制保证了在同一时刻只有一个线程能访问共享资源。这个机制的保障来源于监视锁Monitor，每个对象都拥有自己的监视锁Monitor。

先来举个例子，然后我们在上源码。我们可以把监视器理解为包含一个特殊的房间的建筑物，这个特殊房间同一时刻只能有一个客人（线程）。这个房间中包含了一些数据和代码。

![java-monitor-associate-with-object][]

如果一个顾客想要进入这个特殊的房间，他首先需要在走廊（Entry Set）排队等待。调度器将基于某个标准（比如 FIFO）来选择排队的客户进入房间。如果，因为某些原因，该客户客户暂时因为其他事情无法脱身（线程被挂起），那么他将被送到另外一间专门用来等待的房间（Wait Set），这个房间的可以可以在稍后再次进入那件特殊的房间。如上面所说，这个建筑屋中一共有三个场所。

总之，监视器是一个用来监视这些线程进入特殊的房间的。他的义务是保证（同一时间）只有一个线程可以访问被保护的数据和代码。

Monitor其实是一种同步工具，也可以说是一种同步机制，它通常被描述为一个对象，主要特点是：

> 对象的所有方法都被“互斥”的执行。好比一个Monitor只有一个运行“许可”，任一个线程进入任何一个方法都需要获得这个“许可”，离开时把许可归还。
> 
> 通常提供singal机制：允许正持有“许可”的线程暂时放弃“许可”，等待某个谓词成真（条件变量），而条件成立后，当前进程可以“通知”正在等待这个条件变量的线程，让他可以重新去获得运行许可。

### 监视器的实现 ###

在Java虚拟机(HotSpot)中，Monitor是基于C++实现的，由[ObjectMonitor][]实现的，其主要数据结构如下：

ObjectMonitor() {
        _header       = NULL;
        _count        = 0;
        _waiters      = 0,
        _recursions   = 0;
        _object       = NULL;
        _owner        = NULL;
        _WaitSet      = NULL;
        _WaitSetLock  = 0 ;
        _Responsible  = NULL ;
        _succ         = NULL ;
        _cxq          = NULL ;
        FreeNext      = NULL ;
        _EntryList    = NULL ;
        _SpinFreq     = 0 ;
        _SpinClock    = 0 ;
        OwnerIsThread = 0 ;
      }

ObjectMonitor中有几个关键属性：

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

![monitor][]

当多个线程同时访问一段同步代码时，首先会进入`_EntryList(Entry Set)`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)。

ObjectMonitor类中提供了几个方法：

**获得锁**

void ATTR ObjectMonitor::enter(TRAPS) {
      Thread * const Self = THREAD ;
      void * cur ;
      //通过CAS尝试把monitor的`_owner`字段设置为当前线程
      cur = Atomic::cmpxchg_ptr (Self, &_owner, NULL) ;
      //获取锁失败
      if (cur == NULL) {         assert (_recursions == 0   , "invariant") ;
         assert (_owner      == Self, "invariant") ;
         // CONSIDER: set or assert OwnerIsThread == 1
         return ;
      }
      // 如果旧值和当前线程一样，说明当前线程已经持有锁，此次为重入，_recursions自增，并获得锁。
      if (cur == Self) { 
         // TODO-FIXME: check for integer overflow!  BUGID 6557169.
         _recursions ++ ;
         return ;
      }
    
      // 如果当前线程是第一次进入该monitor，设置_recursions为1，_owner为当前线程
      if (Self->is_lock_owned ((address)cur)) { 
        assert (_recursions == 0, "internal state error");
        _recursions = 1 ;
        // Commute owner from a thread-specific on-stack BasicLockObject address to
        // a full-fledged "Thread *".
        _owner = Self ;
        OwnerIsThread = 1 ;
        return ;
      }
    
      // 省略部分代码。
      // 通过自旋执行ObjectMonitor::EnterI方法等待锁的释放
      for (;;) {
      jt->set_suspend_equivalent();
      // cleared by handle_special_suspend_equivalent_condition()
      // or java_suspend_self()
    
      EnterI (THREAD) ;
    
      if (!ExitSuspendEquivalent(jt)) break ;
    
      //
      // We have acquired the contended monitor, but while we were
      // waiting another thread suspended us. We don't want to enter
      // the monitor while suspended because that would surprise the
      // thread that suspended us.
      //
          _recursions = 0 ;
      _succ = NULL ;
      exit (Self) ;
    
      jt->java_suspend_self();
    }
    }

![lockenter][]

释放锁

void ATTR ObjectMonitor::exit(TRAPS) {
       Thread * Self = THREAD ;
       //如果当前线程不是Monitor的所有者
       if (THREAD != _owner) { 
         if (THREAD->is_lock_owned((address) _owner)) { // 
           // Transmute _owner from a BasicLock pointer to a Thread address.
           // We don't need to hold _mutex for this transition.
           // Non-null to Non-null is safe as long as all readers can
           // tolerate either flavor.
           assert (_recursions == 0, "invariant") ;
           _owner = THREAD ;
           _recursions = 0 ;
           OwnerIsThread = 1 ;
         } else {
           // NOTE: we need to handle unbalanced monitor enter/exit
           // in native code by throwing an exception.
           // TODO: Throw an IllegalMonitorStateException ?
           TEVENT (Exit - Throw IMSX) ;
           assert(false, "Non-balanced monitor enter/exit!");
           if (false) {
              THROW(vmSymbols::java_lang_IllegalMonitorStateException());
           }
           return;
         }
       }
        // 如果_recursions次数不为0.自减
       if (_recursions != 0) {
         _recursions--;        // this is simple recursive enter
         TEVENT (Inflated exit - recursive) ;
         return ;
       }
    
       //省略部分代码，根据不同的策略（由QMode指定），从cxq或EntryList中获取头节点，通过ObjectMonitor::ExitEpilog方法唤醒该节点封装的线程，唤醒操作最终由unpark完成。

![lockexit][]

除了enter和exit方法以外，[objectMonitor.cpp][ObjectMonitor]中还有

void      wait(jlong millis, bool interruptable, TRAPS);
    void      notify(TRAPS);
    void      notifyAll(TRAPS);

等方法。

### 总结 ###

上面介绍的就是HotSpot虚拟机中Moniter的的加锁以及解锁的原理。

通过这篇文章我们知道了`sychronized`加锁的时候，会调用objectMonitor的`enter`方法，解锁的时候会调用`exit`方法。事实上，只有在JDK1.6之前，`synchronized`的实现才会直接调用ObjectMonitor的`enter`和`exit`，这种锁被称之为重量级锁。为什么说这种方式操作锁很重呢？

*  Java的线程是映射到操作系统原生线程之上的，如果要阻塞或唤醒一个线程就需要操作系统的帮忙，这就要从用户态转换到核心态，因此状态转换需要花费很多的处理器时间，对于代码简单的同步块（如被`synchronized`修饰的`get` 或`set`方法）状态转换消耗的时间有可能比用户代码执行的时间还要长，所以说`synchronized`是java语言中一个重量级的操纵。

所以，在JDK1.6中出现对锁进行了很多的优化，进而出现轻量级锁，偏向锁，锁消除，适应性自旋锁，锁粗化(自旋锁在1.4就有 只不过默认的是关闭的，jdk1.6是默认开启的)，这些操作都是为了在线程之间更高效的共享数据 ，解决竞争问题。后面的文章会继续介绍这几种锁以及他们之间的关系。

[http_47.103.216.138_archives_2030]: http://47.103.216.138/archives/2030
[java-monitor-associate-with-object]: /images/20221021/7e890f722b9944f5b443cc65c32ee1ed.png
[ObjectMonitor]: https://github.com/openjdk-mirror/jdk7u-hotspot/blob/50bdefc3afe944ca74c3093e7448d6b889cd20d1/src/share/vm/runtime/objectMonitor.cpp
[monitor]: /images/20221021/b225feff61ce4ada8325874c8986ca50.png
[lockenter]: /images/20221021/12b7afac38bc47749902adc9cb1b3729.png
[lockexit]: /images/20221021/37e4affcd15f40aa9f322f921e29f388.png