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。如果一个顾客想要进去这个房间,就需要在走廊(Entry Set)排队,调度器将基于某个标准来选择排队的客户进入房间。如果用户暂时因为其他事情无法脱身,那么就会被送到等待室(Wait Set)。
监视器是一个用来监视这些线程进入特殊的房间的,它的义务是保证(同一时刻)只有一个线程可以访问被保护的数据和代码。
Monitor其实是一种同步机制,通常被描述为一个对象,其主要特点是:
对象的所有方法都被互斥执行。
通常提供singal机制:允许争持有“许可”的线程暂时放弃“许可”,等待某个谓词成真。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,让它可以重新去获得运行许可。
HotSpot中基于C++由ObjectMoniter实现,主要数据结构是:
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 ; }
其中的关键属性:
当多个线程同时访问一段同步代码,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_count加一,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,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。
ObjectMoniter中的实现:
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(); } }
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。
实际上,在JDK1.6之前,synchronized的实现才会直接调用ObjectMoniter的enter和exit,这种锁被称为重量级锁,因为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个线程就需要操作系统的帮忙,就得从用户态切换到内核态,因此状态装换需要花费很多CPU时间,对于代码简单的同步块状态转换消耗的时间可能更多,所以说synchronized是java语言中一个重量级锁。
JDK1.6之后对锁进行了很多优化,进而出现轻量级锁、偏向锁、锁消除、适应性自旋锁、锁粗化。