Java多線程（二）——Java對象的Monitor機制

Java多線程（二）——Java對象的Monitor機制

一、概述

Java虛擬機給每個對象和class字節碼都設置了一個監聽器Monitor，用於檢測併發代碼的重入，同時在Object類中還提供了notify和wait方法來對線程進行控制。

在java.lang.Object類中有如下代碼：

public class Object {
    ...
    private transient int shadow$_monitor_;
    public final native void notify();
    public final native void notifyAll();
    public final native void wait() throws InterruptedException;
    public final void wait(long millis) throws InterruptedException {
        wait(millis, 0);
    }
    public final native void wait(long millis, int nanos) throws InterruptedException;
    ...
}

二、Monitor機制

Monitor的機制如下圖：

結合上圖來分析Object的Monitor機制。

Monitor可以類比爲一個特殊的房間，這個房間中有一些被保護的數據，Monitor保證每次只能有一個線程能進入這個房間進行訪問被保護的數據，進入房間即爲持有Monitor，退出房間即爲釋放Monitor。

當一個線程需要訪問受保護的數據（即需要獲取對象的Monitor）時，它會首先在entry-set入口隊列中排隊（這裏並不是真正的按照排隊順序），如果沒有其他線程正在持有對象的Monitor，那麼它會和entry-set隊列和wait-set隊列中的被喚醒的其他線程進行競爭（即通過CPU調度），選出一個線程來獲取對象的Monitor，執行受保護的代碼段，執行完畢後釋放Monitor，如果已經有線程持有對象的Monitor，那麼需要等待其釋放Monitor後再進行競爭。

再說一下wait-set隊列。當一個線程擁有Monitor後，經過某些條件的判斷（比如用戶取錢發現賬戶沒錢），這個時候需要調用Object的wait方法，線程就釋放了Monitor，進入wait-set隊列，等待Object的notify方法（比如用戶向賬戶裏面存錢）。當該對象調用了notify方法或者notifyAll方法後，wait-set中的線程就會被喚醒，然後在wait-set隊列中被喚醒的線程和entry-set隊列中的線程一起通過CPU調度來競爭對象的Monitor，最終只有一個線程能獲取對象的Monitor。

需要注意的是：

• 當一個線程在wait-set中被喚醒後，並不一定會立刻獲取Monitor，它需要和其他線程去競爭
• 如果一個線程是從wait-set隊列中喚醒後，獲取到的Monitor，它會去讀取它自己保存的PC計數器中的地址，從它調用wait方法的地方開始執行。

三、Monitor的實現

前面已經分析了Monitor的機制，那麼在Java中是如何實現的呢？

即通過synchronized關鍵字實現線程同步來獲取對象的Monitor。synchronized同步分爲以下兩種方式：

同步代碼塊

synchronized(Obejct obj) {
    //同步代碼塊
    ...
}

上述代碼表示在進入同步代碼塊之前，先要去獲取obj的Monitor，如果已經被其他線程獲取了，那麼當前線程必須等待直至其他線程釋放obj的Monitor

這裏的obj可以是類.class，表示需要去獲取該類的字節碼的Monitor，獲取後，其他線程無法再去獲取到class字節碼的Monitor了，即無法訪問屬於類的同步的靜態方法了，但是對於對象的實例方法的訪問不受影響

同步方法

public class Test {
    public static Test instance;

    public int val;

    public synchronized void set(int val) {
        this.val = val;
    }

    public static synchronized void set(Test instance) {
        Test.instance = instance;
    }

}

上述使用了synchronized分別修飾了非靜態方法和靜態方法。
非靜態方法可以理解爲，需要獲取當前對象this的Monitor，獲取後，其他需要獲取該對象的Monitor的線程會被堵塞。
靜態方法可以理解爲，需要獲取該類字節碼的Monitor（因爲static方法不屬於任何對象，而是屬於類的方法），獲取後，其他需要獲取字節碼的Monitor的線程會被堵塞。

四、Object的notify方法和wait方法詳解

上面在講述Monitor機制的時候已經分析了notify和wait的用法，這裏具體分析下。

wait方法

wait有三個重載方法，分別如下：

wait()
wait(long millis)
wait(long millis, int nanos) 

後面兩個傳入了時間參數（nanos表示納秒），表示如果指定時間過去還沒有其他線程調用notify或者notifyAll方法來將其喚醒，那麼該線程會自動被喚醒。

調用obj.wait方法需要注意的是，當前線程必須獲取到了obj的Monitor，才能去調用其wait方法，即wait必須放在同步方法或同步代碼塊中。（調用的是obj.wait()，而不是Thread.currentThread.wait()）

notify方法

notify有兩個方法notify和notifyAll，前者只能喚醒一個正在等待這個對象的monitor的線程，具體由JVM決定，後者則會喚醒所有正在等待這個對象的monitor的線程

需要關注的點：

• 調用notify方法，並不意味着釋放了Monitor，必須要等同步代碼塊結束後纔會釋放Monitor
• 在調用notify方法時，必須保證其他線程處於wait狀態，否則調用notify沒有任何效果，導致之後其他線程永遠處於堵塞狀態