Java多线程（二）——Java对象的Monitor机制

一、概述

Java虚拟机给每个对象和class字节码都设置了一个监听器Monitor，用于检测并发代码的重入，同时在Object类中还提供了notify和wait方法来对线程进行控制。

在java.lang.Object类中有如下代码：

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机制

Monitor的机制如下图：

结合上图来分析Object的Monitor机制。

Monitor可以类比为一个特殊的房间，这个房间中有一些被保护的数据，Monitor保证每次只能有一个线程能进入这个房间进行访问被保护的数据，进入房间即为持有Monitor，退出房间即为释放Monitor。

当一个线程需要访问受保护的数据（即需要获取对象的Monitor）时，它会首先在entry-set入口队列中排队（这里并不是真正的按照排队顺序），如果没有其他线程正在持有对象的Monitor，那么它会和entry-set队列和wait-set队列中的被唤醒的其他线程进行竞争（即通过CPU调度），选出一个线程来获取对象的Monitor，执行受保护的代码段，执行完毕后释放Monitor，如果已经有线程持有对象的Monitor，那么需要等待其释放Monitor后再进行竞争。

再说一下wait-set队列。当一个线程拥有Monitor后，经过某些条件的判断（比如用户取钱发现账户没钱），这个时候需要调用Object的wait方法，线程就释放了Monitor，进入wait-set队列，等待Object的notify方法（比如用户向账户里面存钱）。当该对象调用了notify方法或者notifyAll方法后，wait-set中的线程就会被唤醒，然后在wait-set队列中被唤醒的线程和entry-set队列中的线程一起通过CPU调度来竞争对象的Monitor，最终只有一个线程能获取对象的Monitor。

需要注意的是：

当一个线程在wait-set中被唤醒后，并不一定会立刻获取Monitor，它需要和其他线程去竞争

如果一个线程是从wait-set队列中唤醒后，获取到的Monitor，它会去读取它自己保存的PC计数器中的地址，从它调用wait方法的地方开始执行。

三、Monitor的实现

前面已经分析了Monitor的机制，那么在Java中是如何实现的呢？

即通过synchronized关键字实现线程同步来获取对象的Monitor。synchronized同步分为以下两种方式：

同步代码块

synchronized(Obejct obj) {
    //同步代码块
    ...
}

上述代码表示在进入同步代码块之前，先要去获取obj的Monitor，如果已经被其他线程获取了，那么当前线程必须等待直至其他线程释放obj的Monitor

这里的obj可以是类.class，表示需要去获取该类的字节码的Monitor，获取后，其他线程无法再去获取到class字节码的Monitor了，即无法访问属于类的同步的静态方法了，但是对于对象的实例方法的访问不受影响

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分别修饰了非静态方法和静态方法。
非静态方法可以理解为，需要获取当前对象this的Monitor，获取后，其他需要获取该对象的Monitor的线程会被堵塞。
静态方法可以理解为，需要获取该类字节码的Monitor（因为static方法不属于任何对象，而是属于类的方法），获取后，其他需要获取字节码的Monitor的线程会被堵塞。

四、Object的notify方法和wait方法详解

上面在讲述Monitor机制的时候已经分析了notify和wait的用法，这里具体分析下。

wait方法

wait有三个重载方法，分别如下：

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

后面两个传入了时间参数（nanos表示纳秒），表示如果指定时间过去还没有其他线程调用notify或者notifyAll方法来将其唤醒，那么该线程会自动被唤醒。

调用obj.wait方法需要注意的是，当前线程必须获取到了obj的Monitor，才能去调用其wait方法，即wait必须放在同步方法或同步代码块中。（调用的是obj.wait()，而不是Thread.currentThread.wait()）

notify方法

notify有两个方法notify和notifyAll，前者只能唤醒一个正在等待这个对象的monitor的线程，具体由JVM决定，后者则会唤醒所有正在等待这个对象的monitor的线程

需要关注的点：

调用notify方法，并不意味着释放了Monitor，必须要等同步代码块结束后才会释放Monitor
在调用notify方法时，必须保证其他线程处于wait状态，否则调用notify没有任何效果，导致之后其他线程永远处于堵塞状态