Monitor（管程/監視器）詳解

說明

　　Monitor，直譯為“監視器”，而作業系統領域一般翻譯為“管程”，管程是指管理共享變數以及對共享變數操作的程序，讓它們支持并發，在Java 1.5之前，Java語言提供的唯一并發語言就是管程，Java 1.5之后提供的SDK并發包也是以管程為基礎的，除了Java之外，C/C++、C#等高級語言也都是支持管程的，synchronized關鍵字和wait()、notify()、notifyAll()這三個方法是Java中實作管程技術的組成部分，

MESA模型分析

　　在管程的發展史上，先后出現過三種不同的管程模型，分別是Hasen模型、Hoare模型和 MESA模型，現在正在廣泛使用的是MESA模型，下面我們便介紹MESA模型：

　　管程中引入了條件變數的概念，而且每個條件變數都對應有一個等待佇列，條件變數和等待 佇列的作用是解決執行緒之間的同步問題，

　　分析作用：

　　　　　入口等待佇列：試圖要獲取鎖的執行緒都必須要進入到這個佇列，只有在這個佇列里面才能獲取鎖，而且每次都是獲取到鎖才會出隊，

　　　　　條件變數等待佇列：這個是為已獲得鎖的成員進入等待阻塞準備的，當需要等待條件滿足時，為了更好的利用CPU，讓執行緒進入等待阻塞，而什么時候再次獲得鎖，也就是當等待的條件滿足了，就會從這個佇列中出去，進入到入口等待佇列中，再次獲取鎖，

wait()的正確使用姿勢

　　對于MESA管程來說，有一個編程范式：

while(條件不滿足) {
 wait();
}

　　喚醒的時間和獲取到鎖繼續執行的時間是不一致的，被喚醒的執行緒再次執行時可能條件又不滿足了，所以回圈檢驗條件，MESA模型的wait()方法還有一個超時引數，為了避免執行緒進入等待 佇列永久阻塞，

notify()和notifyAll()分別何時使用

　　滿足以下三個條件時，可以使用notify()，其余情況盡量使用notifyAll()：

1. 所有等待執行緒擁有相同的等待條件；
2. 所有等待執行緒被喚醒后，執行相同的操作；
3. 只需要喚醒一個執行緒，

　　要知道notify()是隨機喚醒一個，而notifyAll()則是喚醒全部，如果是要喚醒特定的執行緒，最好用notifyAll() + while(條件不滿足)來保證指定執行緒會被喚醒，

實際案例：Java語言的內置管程synchronized

　　　　Java 參考了 MESA 模型，語言內置的管程（synchronized）對 MESA 模型進行了精簡，MESA模型中，條件變數可以有多個，Java 語言內置的管程里只有一個條件變數，模型如下圖所示：

　　　　Monitor機制在Java中的實作

　　　　　　說明

　　　　　　　　java.lang.Object 類定義了 wait()，notify()，notifyAll() 方法，這些方法的具體實作，依賴于 ObjectMonitor 實作，這是 JVM 內部基于 C++ 實作的一套機制，

　　　　　　　　所謂ObjectMonitor ，是獨立的物件監視器，其中的_object便是用于存盤synchronized (lock)中的lock，

　　　　　　　　ObjectMonitor其主要資料結構如下（hotspot原始碼ObjectMonitor.hpp）：

ObjectMonitor() {
    _header = NULL; //物件頭 markOop
    _count = 0;
    _waiters = 0,
    _recursions = 0; // 鎖的重入次數
    _object = NULL; //存盤鎖物件
    _owner = NULL; // 標識擁有該monitor的執行緒（當前獲取鎖的執行緒）
    _WaitSet = NULL; // 等待執行緒（呼叫wait）組成的雙向回圈鏈表，_WaitSet是第一個節點
    _WaitSetLock = 0;
    _Responsible = NULL ;
    _succ = NULL ;
    _cxq = NULL ; //多執行緒競爭鎖會先存到這個單向鏈表中 （FILO堆疊結構）
    FreeNext = NULL ;
    _EntryList = NULL ; //存放在進入或重新進入時被阻塞(blocked)的執行緒 (也是存競爭鎖失敗的執行緒)
    _SpinFreq = 0;
    _SpinClock = 0;
    OwnerIsThread = 0;
    _previous_owner_tid = 0;
}

　　　　　　圖示流程：

　　　　　　說明

　　　　　　　　在獲取鎖時，是將當前執行緒插入到cxq的頭部，而釋放鎖時，默認策略（QMode=0）是：如果EntryList為空，則將cxq中的元素按原有順序插入到EntryList，并喚醒第一個執行緒，也就是當EntryList為空時，是后來的執行緒先獲取鎖，_EntryList不為空，直接從_EntryList中喚醒執行緒，

　　　　　　示例演示：

　　　　　　　　1.情況1，三個執行緒ABC，分別去獲取鎖，順序為A,B,C，如果A業務時間較長，則BC都應該進入到_cxq中（FILO堆疊結構）【C，B】，由于_EntryList為空，則將cxq中的元素按原有順序插入到EntryList【B，C】,此時C先獲取鎖，結果為：

A get lock
A release lock
C get lock
C release lock
B get lock
B release lock

　　　　　　　　2.情況2，三個執行緒ABC，分別去獲取鎖，順序為A,B,C，如果A業務時間較短，進入等待狀態，進入_WaitSet中等待，則B進入時_cxq和_EntryList為空，B直接獲取鎖，執行業務時間較長，且C進入到_cxq中，而A也從_WaitSet中滿足條件進入到了_EntryList中，當B釋放鎖時，應該在_EntryList中的A先獲取鎖，當_EntryList為空時，將_cxq中的C轉入到_EntryList，等A釋放后，C才能獲取鎖，結果為：

A get lock
B get lock
B release lock
A release lock
C get lock
C release lock

　　　　　　　　3.示例代碼展示：

public class SyncQModeDemo {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        SyncQModeDemo demo = new SyncQModeDemo();

        demo.startThreadA();
        //控制執行緒執行時間
        Thread.sleep(100);
        demo.startThreadB();
        Thread.sleep(100);
        demo.startThreadC();
    }

    final Object lock = new Object();

    public void startThreadA() {
        new Thread(() -> {
            synchronized (lock) {
                log.debug("A get lock");
                try {
                    Thread.sleep(300);  //對應情況1，模擬業務時間
                    //lock.wait(300);  //對應情況2
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                log.debug("A release lock");
            }
        }, "thread-A").start();
    }

    public void startThreadB() {
        new Thread(() -> {
            synchronized (lock) {
                try {
                    log.debug("B get lock");
                    Thread.sleep(500);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                log.debug("B release lock");
            }
        }, "thread-B").start();
    }

    public void startThreadC() {
        new Thread(() -> {
            synchronized (lock) {
                log.debug("C get lock");
            }
        }, "thread-C").start();
    }

}

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