【個(gè)人筆記搬運(yùn)到博客系列】

一、monitor概念

在操作系統(tǒng)中，存在著semaphore和mutex，為了更好的編寫(xiě)并發(fā)程序，在mutex和semaphore基礎(chǔ)上，提出了更高層次的同步原語(yǔ)，實(shí)際上，monitor屬于編程語(yǔ)言的范疇，具體的實(shí)現(xiàn)模式，不同的編程語(yǔ)言都有可能不一樣，C語(yǔ)言不支持monitor，而java支持monitor機(jī)制。

一個(gè)重要特點(diǎn)是，在同一時(shí)間，只有一個(gè)線(xiàn)程/進(jìn)程能進(jìn)入monitor所定義的臨界區(qū)，這使得monitor能夠?qū)崿F(xiàn)互斥的效果。無(wú)法進(jìn)入monitor的臨界區(qū)的進(jìn)程/線(xiàn)程，應(yīng)該被阻塞，并且在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候被喚醒。顯然，monitor作為一個(gè)同步工具，也應(yīng)該提供這樣管理線(xiàn)程/進(jìn)程的機(jī)制。

monitor這個(gè)機(jī)制之所以被稱(chēng)為：更高級(jí)的原語(yǔ)，它不可避免的需要對(duì)外屏蔽這些機(jī)制，并且在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)這些機(jī)制；

二、monitor基本元素

• 臨界區(qū)
• monitor對(duì)象和鎖
• 條件變量，以及定義在monitor對(duì)象上的wait，notify操作

使用monitor主要是為了互斥進(jìn)入臨界區(qū)，為了能夠阻塞無(wú)法進(jìn)入臨界區(qū)的進(jìn)程，線(xiàn)程，需要一個(gè)monitor object來(lái)協(xié)助，這個(gè)object內(nèi)部會(huì)有相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，例如列表，用來(lái)保存被阻塞的線(xiàn)程；同時(shí)由于monitor機(jī)制本質(zhì)是基于mutex原語(yǔ)的，所以object必須維護(hù)一個(gè)基于mutex的鎖。

此外，為了在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候能夠阻塞和喚醒 進(jìn)程/線(xiàn)程，還需要引入一個(gè)條件變量，這個(gè)條件變量用來(lái)決定什么時(shí)候是“適當(dāng)?shù)臅r(shí)候”，這個(gè)條件可以來(lái)自程序代碼的邏輯，也可以是在 monitor object 的內(nèi)部，總而言之，程序員對(duì)條件變量的定義有很大的自主性。不過(guò)，由于 monitor object 內(nèi)部采用了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)保存被阻塞的隊(duì)列，因此它也必須對(duì)外提供兩個(gè) API 來(lái)讓線(xiàn)程進(jìn)入阻塞狀態(tài)以及之后被喚醒，分別是 wait 和 notify。

三、monitor在java中的實(shí)現(xiàn)

臨界區(qū)：被synchronized關(guān)鍵字修飾的方法，代碼塊，就是monitor機(jī)制的臨界區(qū)；

monitor object：在上述synchronized關(guān)鍵字被使用時(shí)，往往需要指定一個(gè)對(duì)象與之關(guān)聯(lián)，例如synchronized（this）,總之，synchronized需要管理一個(gè)對(duì)象，這個(gè)對(duì)象就是monitor object。

Java 對(duì)象存儲(chǔ)在內(nèi)存中，分別分為三個(gè)部分，即對(duì)象頭、實(shí)例數(shù)據(jù)（對(duì)象體）和對(duì)齊填充，而在其對(duì)象頭中，保存了鎖標(biāo)識(shí)；同時(shí)，java.lang.Object 類(lèi)定義了 wait()，notify()，notifyAll() 方法，這些方法的具體實(shí)現(xiàn)，依賴(lài)于一個(gè)叫 ObjectMonitor 模式的實(shí)現(xiàn)，這是 JVM 內(nèi)部基于 C++ 實(shí)現(xiàn)的一套機(jī)制，基本原理如下所示：

以下以 Java 的 monitor 為例子，來(lái)講解 monitor 在 Java 中的實(shí)現(xiàn)方式：

在Java中，一個(gè)對(duì)象對(duì)應(yīng)了一個(gè)momitor對(duì)象，而synchronized關(guān)鍵字也需要關(guān)聯(lián)一個(gè)對(duì)象，這個(gè)對(duì)象需要天生就支持monitor，所以在Java中，可以就是Java 中的 java.lang.Object 類(lèi)，便是滿(mǎn)足這個(gè)要求的對(duì)象，任何一個(gè) Java 對(duì)象都可以作為 monitor 機(jī)制的 monitor object。這也就是wait(),notify(),notifyAll(),是在Object類(lèi)中的原因。

四、monitor詳解

4.1、線(xiàn)程狀態(tài)

　Java中線(xiàn)程中狀態(tài)可分為五種：New（新建狀態(tài)），Runnable（就緒狀態(tài)），Running（運(yùn)行狀態(tài)），Blocked（阻塞狀態(tài)），Dead（死亡狀態(tài)）。

New：新建狀態(tài)，當(dāng)線(xiàn)程創(chuàng)建完成時(shí)為新建狀態(tài)，即new Thread(...)，還沒(méi)有調(diào)用start方法時(shí)，線(xiàn)程處于新建狀態(tài)。

Runnable：就緒狀態(tài)，當(dāng)調(diào)用線(xiàn)程的的start()方法后，線(xiàn)程進(jìn)入就緒狀態(tài)，等待CPU資源。處于就緒狀態(tài)的線(xiàn)程由Java運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的線(xiàn)程調(diào)度程序(thread scheduler)來(lái)調(diào)度。

Running：運(yùn)行狀態(tài)，就緒狀態(tài)的線(xiàn)程獲取到CPU執(zhí)行權(quán)以后進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，開(kāi)始執(zhí)行run()方法。

Blocked：阻塞狀態(tài)，線(xiàn)程沒(méi)有執(zhí)行完，由于某種原因（如，I/O操作等）讓出CPU執(zhí)行權(quán)，自身進(jìn)入阻塞狀態(tài)。

Dead：死亡狀態(tài)，線(xiàn)程執(zhí)行完成或者執(zhí)行過(guò)程中出現(xiàn)異常，線(xiàn)程就會(huì)進(jìn)入死亡狀態(tài)。

這五種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下圖所示：

4.2、wait/notify/notifyAll方法的使用

【1】wait方法

有三種版本：

（1）wait()，作用是將當(dāng)前運(yùn)行的線(xiàn)程掛起（即讓其進(jìn)入阻塞狀態(tài)），直到notify或notifyAll方法來(lái)喚醒線(xiàn)程；

（2）wait(long timeout)，該方法與wait()方法類(lèi)似，唯一的區(qū)別就是在指定時(shí)間內(nèi)，如果沒(méi)有notify或notifAll方法的喚醒，也會(huì)自動(dòng)喚醒；

（3）wait(long timeout,long nanos)，在于更精確的控制調(diào)度時(shí)間；

核心：wait方法的使用必須在同步的范圍內(nèi)，否則就會(huì)拋出IllegalMonitorStateException異常，wait方法的作用就是阻塞當(dāng)前線(xiàn)程等待notify/notifyAll方法的喚醒，或等待超時(shí)后自動(dòng)喚醒。

public class WaitTest {public void testWait(){System.out.println("Start-----");try {wait(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println("End-------");}public static void main(String[] args) {final WaitTest test = new WaitTest();new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {test.testWait();}}).start();} }

如果按照以上代碼這么寫(xiě)，會(huì)拋出IllegalMonitorStateException異常，意思是：線(xiàn)程試圖等待對(duì)象的監(jiān)視器或者試圖通知其他正在等待對(duì)象監(jiān)視器的線(xiàn)程，但本身沒(méi)有對(duì)應(yīng)的監(jiān)視器的所有權(quán)。

由于wait方法是一個(gè)本地方法，其底層是通過(guò)一個(gè)叫做監(jiān)視器鎖的對(duì)象monitor來(lái)完成的。所以上面之所以會(huì)拋出異常，是因?yàn)樵谡{(diào)用wait方式時(shí)沒(méi)有獲取到monitor對(duì)象的所有權(quán)，那如何獲取monitor對(duì)象所有權(quán)？Java中只能通過(guò)Synchronized關(guān)鍵字來(lái)完成，修改上述代碼，增加Synchronized關(guān)鍵字，即可運(yùn)行：

public class WaitTest {public synchronized void testWait(){//增加Synchronized關(guān)鍵字System.out.println("Start-----");try {wait(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println("End-------");}public static void main(String[] args) {final WaitTest test = new WaitTest();new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {test.testWait();}}).start();} }

通過(guò)上述代碼示例，可以看出，wait方法的使用必須在同步的范圍內(nèi)，否則就會(huì)拋出IllegalMonitorStateException異常，wait方法的作用就是阻塞當(dāng)前線(xiàn)程等待notify/notifyAll方法的喚醒，或等待超時(shí)后自動(dòng)喚醒。

【2】notify/notifyall

有了對(duì)wait方法原理的理解，notify方法和notifyAll方法就很容易理解了。既然wait方式是通過(guò)對(duì)象的monitor對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以只要在同一對(duì)象上去調(diào)用notify/notifyAll方法，就可以喚醒對(duì)應(yīng)對(duì)象monitor上等待的線(xiàn)程了。notify和notifyAll的區(qū)別在于前者只能喚醒monitor上的一個(gè)線(xiàn)程，對(duì)其他線(xiàn)程沒(méi)有影響，而notifyAll則喚醒所有的線(xiàn)程。

有兩點(diǎn)點(diǎn)需要注意：

（1）調(diào)用wait方法后，線(xiàn)程是會(huì)釋放對(duì)monitor對(duì)象的所有權(quán)的。

（2）一個(gè)通過(guò)wait方法阻塞的線(xiàn)程，必須同時(shí)滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件才能被真正執(zhí)行：

　　　　線(xiàn)程需要被喚醒（超時(shí)喚醒或調(diào)用notify/notifyll）。
　　　　線(xiàn)程喚醒后需要競(jìng)爭(zhēng)到鎖（monitor）。

4.3、sleep/yield/join方法使用：

再來(lái)看另外一組線(xiàn)程間協(xié)作的方法。這組方法跟上面方法的最明顯區(qū)別是：這幾個(gè)方法都位于Thread類(lèi)中，而上面三個(gè)方法都位于Object類(lèi)中。

【1】sleep方法

sleep方法的作用是讓當(dāng)前線(xiàn)程暫停指定的時(shí)間（毫秒），sleep方法是最簡(jiǎn)單的方法，比較容易理解。

唯一需要注意的是其與wait方法的區(qū)別。最簡(jiǎn)單的區(qū)別是，wait方法依賴(lài)于同步，而sleep方法可以直接調(diào)用。而更深層次的區(qū)別在于sleep方法只是暫時(shí)讓出CPU的執(zhí)行權(quán)，并不釋放鎖。而wait方法則需要釋放鎖。

通過(guò)sleep方法實(shí)現(xiàn)的暫停，程序是順序進(jìn)入同步塊的，只有當(dāng)上一個(gè)線(xiàn)程執(zhí)行完成的時(shí)候，下一個(gè)線(xiàn)程才能進(jìn)入同步方法，sleep暫停期間一直持有monitor對(duì)象鎖，其他線(xiàn)程是不能進(jìn)入的。而wait方法則不同，當(dāng)調(diào)用wait方法后，當(dāng)前線(xiàn)程會(huì)釋放持有的monitor對(duì)象鎖，因此，其他線(xiàn)程還可以進(jìn)入到同步方法，線(xiàn)程被喚醒后，需要競(jìng)爭(zhēng)鎖，獲取到鎖之后再繼續(xù)執(zhí)行。

【2】yield方法
yield方法的作用是暫停當(dāng)前線(xiàn)程，以便其他線(xiàn)程有機(jī)會(huì)執(zhí)行，不過(guò)不能指定暫停的時(shí)間，并且也不能保證當(dāng)前線(xiàn)程馬上停止。yield方法只是將Running狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)镽unnable狀態(tài)。

不過(guò)請(qǐng)注意：這種交替并不一定能得到保證，而且源碼中也對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了說(shuō)明，意思總結(jié)是：調(diào)度器可能會(huì)忽略該方法；使用的時(shí)候要仔細(xì)分析和測(cè)試，確保能達(dá)到預(yù)期的效果；很少有場(chǎng)景要用到該方法，主要使用的地方是調(diào)試和測(cè)試。

【3】join方法

有三個(gè)版本：

void join()?? ?
void join(long millis)
void join(long millis, int nanos)

join方法的作用是：父線(xiàn)程等待子線(xiàn)程執(zhí)行完成后再執(zhí)行，換句話(huà)說(shuō)就是將異步執(zhí)行的線(xiàn)程合并為同步的線(xiàn)程。JDK中提供三個(gè)版本的join方法，其實(shí)現(xiàn)與wait方法類(lèi)似，join()方法實(shí)際上執(zhí)行的join(0)，而join(long millis, int nanos)也與wait(long millis, int nanos)的實(shí)現(xiàn)方式一致，暫時(shí)對(duì)納秒的支持也是不完整的。

重點(diǎn)關(guān)注一下join(long millis)方法的實(shí)現(xiàn)，可以看出join方法就是通過(guò)wait方法來(lái)將線(xiàn)程的阻塞，如果join的線(xiàn)程還在執(zhí)行，則將當(dāng)前線(xiàn)程阻塞起來(lái)，直到j(luò)oin的線(xiàn)程執(zhí)行完成，當(dāng)前線(xiàn)程才能執(zhí)行。不過(guò)有一點(diǎn)需要注意，這里的join只調(diào)用了wait方法，卻沒(méi)有對(duì)應(yīng)的notify方法，原因是Thread的start方法中做了相應(yīng)的處理，所以當(dāng)join的線(xiàn)程執(zhí)行完成以后，會(huì)自動(dòng)喚醒主線(xiàn)程繼續(xù)往下執(zhí)行。

在沒(méi)有使用join方法之間，線(xiàn)程是并發(fā)執(zhí)行的，而使用join方法后，所有線(xiàn)程是順序執(zhí)行的。

總結(jié)：

以上這部分詳細(xì)講解了wait/notify/notifyAll和sleep/yield/join方法。

最后回答一個(gè)問(wèn)題：wait/notify/notifyAll方法的作用是實(shí)現(xiàn)線(xiàn)程間的協(xié)作，那為什么這三個(gè)方法不是位于Thread類(lèi)中，而是位于Object類(lèi)中？

位于Object中，也就相當(dāng)于所有類(lèi)都包含這三個(gè)方法（因?yàn)镴ava中所有的類(lèi)都繼承自O(shè)bject類(lèi)）。要回答這個(gè)問(wèn)題，還是得回過(guò)來(lái)看wait方法的實(shí)現(xiàn)原理，大家需要明白的是，wait等待的到底是什么東西？如果對(duì)上面內(nèi)容理解的比較好的話(huà)，我相信大家應(yīng)該很容易知道wait等待其實(shí)是對(duì)象monitor，由于Java中的每一個(gè)對(duì)象都有一個(gè)內(nèi)置的monitor對(duì)象，自然所有的類(lèi)都理應(yīng)有wait/notify方法。

4.4、monitor詳解：

Java平臺(tái)中，每個(gè)對(duì)象都有一個(gè)唯一與之對(duì)應(yīng)的內(nèi)部鎖（Monitor）。Java虛擬機(jī)會(huì)為每個(gè)對(duì)象維護(hù)兩個(gè)“隊(duì)列”（姑且稱(chēng)之為“隊(duì)列”，盡管它不一定符合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上隊(duì)列的“先進(jìn)先出”原則）：一個(gè)叫Entry Set（入口集），另外一個(gè)叫Wait Set（等待集）。對(duì)于任意的對(duì)象objectX，objectX的Entry Set用于存儲(chǔ)等待獲取objectX對(duì)應(yīng)的內(nèi)部鎖的所有線(xiàn)程。objectX的Wait Set用于存儲(chǔ)執(zhí)行了objectX.wait()/wait(long)的線(xiàn)程。

?

設(shè)objectX是任意一個(gè)對(duì)象，monitorX是這個(gè)對(duì)象對(duì)應(yīng)的內(nèi)部鎖，假設(shè)有線(xiàn)程A、B、C同時(shí)申請(qǐng)monitorX，那么由于任意一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)線(xiàn)程能夠獲得（占用/持有）這個(gè)鎖，因此除了勝出（即獲得了鎖）的線(xiàn)程（這里假設(shè)是B）外，其他線(xiàn)程（這里就是A和C）都會(huì)被暫停（線(xiàn)程的生命周期狀態(tài)會(huì)被調(diào)整為BLOCKED）。這些因申請(qǐng)鎖而落選的線(xiàn)程就會(huì)被存入objectX對(duì)應(yīng)的Entry Set（以下記為entrySetX）之中。當(dāng)monitorX被其持有線(xiàn)程（這里就是B）釋放時(shí)，entrySetX中的一個(gè)任意（注意是“任意”，而不一定是Entry Set中等待時(shí)間最長(zhǎng)或者最短的）線(xiàn)程會(huì)被喚醒（即線(xiàn)程的生命周期狀態(tài)變更為RUNNABLE）。這個(gè)被喚醒的線(xiàn)程會(huì)與其他活躍線(xiàn)程（即不處于Entry Set之中，且線(xiàn)程的生命周期狀態(tài)為RUNNABLE的線(xiàn)程）再次搶占monitorX。這時(shí)，被喚醒的線(xiàn)程如果成功申請(qǐng)到monitorX，那么該線(xiàn)程就從entrySetX中移除。否則，被喚醒的線(xiàn)程仍然會(huì)停留在entrySetX，并再次被暫停，以等待下次申請(qǐng)鎖的機(jī)會(huì)。

?

如果有個(gè)線(xiàn)程執(zhí)行了objectX.wait()，那么該線(xiàn)程就會(huì)被暫停（線(xiàn)程的生命周期狀態(tài)會(huì)被調(diào)整為WAITTING）并被存入objectX的Wait Set（以下記為waitSetX）之中。此時(shí)，該線(xiàn)程就被稱(chēng)為objectX的等待線(xiàn)程。當(dāng)其他線(xiàn)程執(zhí)行了objectX.notify()/notifyAll()時(shí)，waitSetX中的一個(gè)（或者多個(gè)，取決于被調(diào)用的是notify還是notifyAll方法）任意（注意是“任意”，而不一定是Entry Set中等待時(shí)間最長(zhǎng)或者最短的）等待線(xiàn)程會(huì)被喚醒（線(xiàn)程的生命周期狀態(tài)變更為RUNNABLE）。這些被喚醒的線(xiàn)程會(huì)與entrySetX中被喚醒的線(xiàn)程以及其他（可能的）活躍線(xiàn)程共同參與搶奪monitorX。如果其中一個(gè)被喚醒的等待線(xiàn)程成功申請(qǐng)到鎖，那么該線(xiàn)程就會(huì)從waitSetX中移除。否則，這些被喚醒的線(xiàn)程仍然停留在waitSetX中，并再次被暫停，以等待下次申請(qǐng)鎖的機(jī)會(huì)。

問(wèn)題：我理解調(diào)用對(duì)象的 notifyAll方法后，waitSet 上的線(xiàn)程都會(huì)加入到 entrySet 中的吧？在一個(gè)持有鎖的線(xiàn)程釋放鎖后，應(yīng)該只有 entrySet 隊(duì)列的線(xiàn)程可能獲取鎖，那這個(gè)通知是 park 來(lái)實(shí)現(xiàn)的嗎？是否有保證獲取鎖公平性的相關(guān)設(shè)置?

【1】從Java虛擬機(jī)性能的角度來(lái)說(shuō)，Java虛擬機(jī)沒(méi)有必要在notifyAll調(diào)用之后“將Wait Set中的線(xiàn)程移入Entry Set”。首先，從一個(gè)“隊(duì)列”移動(dòng)到另外一個(gè)“隊(duì)列”是有開(kāi)銷(xiāo)的，其次，雖然notifyAll調(diào)用后Wait Set中的多個(gè)線(xiàn)程會(huì)被喚醒，但是這些被喚醒的線(xiàn)程極端情況下可能沒(méi)有任何一個(gè)能夠獲得鎖（比如被其他活躍線(xiàn)程搶先下手了）或者即便可以獲得鎖也可能不能繼續(xù)運(yùn)行（比如這些等待線(xiàn)程所需的等待條件又再次不成立）。那么這個(gè)時(shí)候，這些等待線(xiàn)程仍然需要老老實(shí)實(shí)在wait set中待著。因此，如果notifyAll調(diào)用之后就將等待線(xiàn)程移出wait set會(huì)導(dǎo)致浪費(fèi)（白白地進(jìn)出“隊(duì)列”）。這點(diǎn)可以參考顯式鎖的實(shí)現(xiàn)：

java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.acquireQueued(Node, int)/*** Acquires in exclusive uninterruptible mode for thread already in* queue. Used by condition wait methods as well as acquire.** @param node the node* @param arg the acquire argument* @return {@code true} if interrupted while waiting*/ final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {boolean failed = true;try {boolean interrupted = false;for (;;) {final Node p = node.predecessor();if (p == head && tryAcquire(arg)) {setHead(node);p.next = null; // help GCfailed = false;return interrupted;}if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&parkAndCheckInterrupt())interrupted = true;}} finally {if (failed)cancelAcquire(node);} }

從上面的代碼可以看出，（使用顯式鎖時(shí)）被喚醒的線(xiàn)程獲得鎖（tryAcquire調(diào)用返回true）之后才被從wait set中移出（setHead調(diào)用）。

【2】?jī)?nèi)部鎖僅僅支持非公平鎖調(diào)度。顯式鎖既支持公平鎖又支持非公平鎖。

LockSupport.park/upark是在jdk1.5開(kāi)始引入的，顯式鎖的在實(shí)現(xiàn)線(xiàn)程的暫停和喚醒的時(shí)候會(huì)用到這個(gè)兩個(gè)方法。而內(nèi)部鎖是在jdk1.5之前就已經(jīng)存在的。

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?

參考：

Java 并發(fā)編程：線(xiàn)程間的協(xié)作(wait/notify/sleep/yield/join)：https://www.cnblogs.com/paddix/p/5381958.html
java的鎖池和等待池：https://www.cnblogs.com/tiancai/p/9371655.html

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的java monitor的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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