Java Monitor(管程)

操作系统在面对线程间同步的时候,会支持例如semaphore信号量和mutex互斥量等同步原语,而monitor是在编程语言中被实现的,下面介绍一下java中monitor(监视器/管程:管理共享变量以及对其的操作过程,让他们支持并发)的实现原理:

monitor_model

以一个阻塞队列的实现来举例: blocked_queue

同时,java内置的synchronized关键字可以认为是MESA模型的简化版,其只能有一个条件变量,但编译器会自动添加加锁与解锁的代码。synchronized关键字可以修饰实例方法、类方法以及代码块,如果修饰的是代码块,需要制定关联的Object;如果修饰的是实例方法,那么其关联的对象实际上是this;如果修饰的是类方法,那么其关联的对象是this.class。这些关联的对象就是MESA模型里的条件变量。 ###synchronized实现原理### JVM基于进入和退出monitor对象来实现同步,同步代码块采用添加moniterenter、moniterexit,同步方法使用ACC_SYNCHRONIZED标记符隐式实现。每个对象都有一个monitor与之关联,运行到moniterenter时尝试获取对应monitor的所有权,获取成功就将monitor的进入数加1(所以是可重入锁,也被称为重量级锁),否则就阻塞,拥有monitor的线程运行到moniterexit时进入数减1,为0时释放monitor。 java中每个对象都有一个对象头,synchronized所用的锁就是存在对象头里的。如果是非数组的对象是8个字节(32位JVM)或者16字节(64位JVM),数组对象还会有一个数组长度(4个字节)。以32位JVM非数组对象为例:

java_object_header

锁信息就存在前4个字节的MarkWord中,JVM对synchronized的加锁过程优化为:

  1. 检测Mark Word里面是不是当前线程的ID,如果是,表示当前线程处于偏向锁
  2. 如果不是,则使用CAS将当前线程的ID替换Mard Word,如果成功则表示当前线程获得偏向锁,置偏向标志位1
  3. 如果失败,则说明发生竞争,撤销偏向锁,进而升级为轻量级锁。
  4. 当前线程使用CAS将对象头的Mark Word替换为锁记录指针,如果成功,当前线程获得锁
  5. 如果失败,表示其他线程竞争锁,当前线程便尝试使用自旋来获取锁。
  6. 如果自旋成功则依然处于轻量级状态。
  7. 如果自旋失败,则升级为重量级锁。 重量级锁是悲观锁的一种,自旋锁、轻量级锁与偏向锁属于乐观锁。 CAS设计读取-比较-写入三个操作,是在CPU指令层面保证其原子性,volatile是保证多线程下的内存可见性,二者需配合使用。另外还需注意CPU缓存行(一次以32/64字节为单位从主内存中读取数据到缓存)包含多个变量所带来的隐形同步问题:其中一个变量被volatile修饰,导致另外一个变量在另一个CPU核上(另一个线程)的读写也要被强制刷新缓存。

管程:并发编程的万能钥匙 java 中的锁 – 偏向锁、轻量级锁、自旋锁、重量级锁