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深入理解多线程(四)—— Moniter的实现原理

深入理解多线程(一)——Synchronized的实现原理中介绍过关于Synchronize的实现原理,无论是同步方法还是同步代码块,无论是ACC_SYNCHRONIZED还是monitorentermonitorexit都是基于Monitor实现的,那么这篇来介绍下什么是Monitor

操作系统中的管程

如果你在大学学习过操作系统,你可能还记得管程(monitors)在操作系统中是很重要的概念。同样Monitor在java同步机制中也有使用。

管程 (英语:Monitors,也称为监视器) 是一种程序结构,结构内的多个子程序(对象或模块)形成的多个工作线程互斥访问共享资源。这些共享资源一般是硬件设备或一群变量。管程实现了在一个时间点,最多只有一个线程在执行管程的某个子程序。与那些通过修改数据结构实现互斥访问的并发程序设计相比,管程实现很大程度上简化了程序设计。 管程提供了一种机制,线程可以临时放弃互斥访问,等待某些条件得到满足后,重新获得执行权恢复它的互斥访问。

Java线程同步相关的Moniter

在多线程访问共享资源的时候,经常会带来可见性和原子性的安全问题。为了解决这类线程安全的问题,Java提供了同步机制、互斥锁机制,这个机制保证了在同一时刻只有一个线程能访问共享资源。这个机制的保障来源于监视锁Monitor,每个对象都拥有自己的监视锁Monitor。

先来举个例子,然后我们在上源码。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(线程)。这个房间中包含了一些数据和代码。

Java-Monitor

如果一个顾客想要进入这个特殊的房间,他首先需要在走廊(Entry Set)排队等待。调度器将基于某个标准(比如 FIFO)来选择排队的客户进入房间。如果,因为某些原因,该客户客户暂时因为其他事情无法脱身(线程被挂起),那么他将被送到另外一间专门用来等待的房间(Wait Set),这个房间的可以可以在稍后再次进入那件特殊的房间。如上面所说,这个建筑屋中一共有三个场所。

java-monitor-associate-with-object

总之,监视器是一个用来监视这些线程进入特殊的房间的。他的义务是保证(同一时间)只有一个线程可以访问被保护的数据和代码。

Monitor其实是一种同步工具,也可以说是一种同步机制,它通常被描述为一个对象,主要特点是:

对象的所有方法都被“互斥”的执行。好比一个Monitor只有一个运行“许可”,任一个线程进入任何一个方法都需要获得这个“许可”,离开时把许可归还。

通常提供singal机制:允许正持有“许可”的线程暂时放弃“许可”,等待某个谓词成真(条件变量),而条件成立后,当前进程可以“通知”正在等待这个条件变量的线程,让他可以重新去获得运行许可。

监视器的实现

在Java虚拟机(HotSpot)中,Monitor是基于C++实现的,由ObjectMonitor实现的,其主要数据结构如下:

  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 ;
  }

源码地址:objectMonitor.hpp

ObjectMonitor中有几个关键属性:

_owner:指向持有ObjectMonitor对象的线程

_WaitSet:存放处于wait状态的线程队列

_EntryList:存放处于等待锁block状态的线程队列

_recursions:锁的重入次数

_count:用来记录该线程获取锁的次数

当多个线程同时访问一段同步代码时,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monitor中的计数器_count加1。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1,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)。如下图所示

monitor

ObjectMonitor类中提供了几个方法:

获得锁

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();
}
}

lockenter

释放锁

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。

lockexit

除了enter和exit方法以外,objectMonitor.cpp中还有

void      wait(jlong millis, bool interruptable, TRAPS);
void      notify(TRAPS);
void      notifyAll(TRAPS);

等方法。

总结

上面介绍的就是HotSpot虚拟机中Moniter的的加锁以及解锁的原理。

通过这篇文章我们知道了sychronized加锁的时候,会调用objectMonitor的enter方法,解锁的时候会调用exit方法。事实上,只有在JDK1.6之前,synchronized的实现才会直接调用ObjectMonitor的enterexit,这种锁被称之为重量级锁。为什么说这种方式操作锁很重呢?

  • Java的线程是映射到操作系统原生线程之上的,如果要阻塞或唤醒一个线程就需要操作系统的帮忙,这就要从用户态转换到核心态,因此状态转换需要花费很多的处理器时间,对于代码简单的同步块(如被synchronized修饰的getset方法)状态转换消耗的时间有可能比用户代码执行的时间还要长,所以说synchronized是java语言中一个重量级的操纵。

所以,在JDK1.6中出现对锁进行了很多的优化,进而出现轻量级锁,偏向锁,锁消除,适应性自旋锁,锁粗化(自旋锁在1.4就有 只不过默认的是关闭的,jdk1.6是默认开启的),这些操作都是为了在线程之间更高效的共享数据 ,解决竞争问题。后面的文章会继续介绍这几种锁以及他们之间的关系。

Java Synchronized实现原理

JVM源码分析之Object.wait/notify实现

Linux Kernel CMPXCHG函数分析

从jvm源码看synchronized

(全文完)
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