java什么是monitor和Monitor监视器锁、对象布局

2023-05-16

文章目录

  • Monitor监视器锁
  • 什么是moniter
  • 对象布局

Monitor监视器锁

每个同步对象都有一个自己的Monitor(监视器锁),加锁过程如下图所示:在这里插入图片描述
任何一个对象都有一个Monitor与之关联,当且一个Monitor被持有后,它将处于锁定状态。Synchronized在JVM里的实现都是
基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步,虽然具体实现细节不一样,但是都可以通过成对的MonitorEnter和
MonitorExit指令来实现。
monitorenter:每个对象都是一个监视器锁(monitor)。当monitor被占用时就会处于锁定状态,线程执行
monitorenter指令时尝试获取monitor的所有权,过程如下:

a. 如果monitor的进入数为0,则该线程进入monitor,然后将进入数设置为1,该线程即为monitor的所有者;
b. 如果线程已经占有该monitor,只是重新进入,则进入monitor的进入数加1;
c. 如果其他线程已经占用了monitor,则该线程进入阻塞状态,直到monitor的进入数为0,再重新尝试获取monitor的所有权;

monitorexit:执行monitorexit的线程必须是objectref所对应的monitor的所有者。指令执行时,monitor的进入数减1,如果减1后进入数为0,那线程退出monitor,不再是这个monitor的所有者。其他被这个monitor阻塞的线程可以尝试去
获取这个 monitor 的所有权。
monitorexit,指令出现了两次,第1次为同步正常退出释放锁;第2次为发生异步退出释放锁;
通过上面两段描述,我们应该能很清楚的看出Synchronized的实现原理,**Synchronized的语义底层是通过一个monitor的对象来完成,其实wait/notify等方法也依赖于monitor对象,这就是为什么只有在同步的块或者方法中才能调用wait/notify等方法,**否则会抛出java.lang.IllegalMonitorStateException的异常的原因。
方法的同步:(加了Synchronized的方法)
方法的同步并没有通过指令 monitorenter 和 monitorexit 来完成(理论上其实也可以通过这两条指令来实现),不过相对于普通方法,其常量池中多了 ACC_SYNCHRONIZED 标示符。JVM就是根据该标示符来实现方法的同步的:
当方法调用时,调用指令将会检查方法的 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志是否被设置,如果设置了,执行线程将先获取monitor,获取成功之后才能执行方法体,方法执行完后再释放monitor。在方法执行期间,其他任何线程都无法再获得同一个monitor对象
两种同步方式本质上没有区别,只是方法的同步是一种隐式的方式来实现,无需通过字节码来完成。两个指令的执行是JVM通过调用操作系统的互斥原语mutex来实现,被阻塞的线程会被挂起、等待重新调度,会导致“用户态和内核态”两个态之间来回切换,对性能有较大影响。

什么是moniter

可以把它理解为 一个同步工具,也可以描述为 一种同步机制,它通常被 描述为一个对象。与一切皆对象一样,所有的Java对象是天生的Monitor,每一个Java对象都有成为Monitor的潜质,因为在Java的设计中 ,每一个Java对象自打娘胎里出来就带了一把看不见的锁,它叫做内部锁或者Monitor锁。也就是通常说Synchronized的对象锁,MarkWord锁标识位为10,其中指针指向的是Monitor对象的起始地址。在Java虚拟机(HotSpot)中,Monitor是由ObjectMonitor实现的,其主要数据结构如下(位于HotSpot虚拟机源码ObjectMonitor.hpp文件,C++实现的):
在这里插入图片描述
ObjectMonitor中有两个队列,_WaitSet 和 _EntryList,用来保存ObjectWaiter对象列表( 每个等待锁的线程都会被封装成
ObjectWaiter对象 ),_owner指向持有ObjectMonitor对象的线程,当多个线程同时访问一段同步代码时:

  1. 首先会进入 _EntryList 集合,当线程获取到对象的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;
  2. 若线程调用 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;
  3. 若当前线程执行完毕,也将释放monitor(锁)并复位count的值,以便其他线程进入获取monitor(锁);

当多个线程同时请求某个对象锁时,对象锁会设置⼏种状态⽤来区分请求的线程:
Contention List:所有请求锁的线程将被⾸先放置到该竞争队列
Entry List:Contention List中那些有资格成为候选⼈的线程被移到Entry List
Wait Set:那些调⽤wait⽅法被阻塞的线程被放置到Wait Set
OnDeck:任何时刻最多只能有⼀个线程正在竞争锁,该线程称为OnDeck
Owner:获得锁的线程称为Owner
!Owner:释放锁的线程
当⼀个线程尝试获得锁时,如果该锁已经被占⽤,则会将该线程封装成⼀个 ObjectWaiter 对象插⼊到Contention List的队列的队⾸,然后调⽤ park 函数挂起当前线程。

当线程释放锁时,会从Contention List或EntryList中挑选⼀个线程唤醒,被选中的线程叫做 Heir presumptive 即假定继承⼈,假定继承⼈被唤醒后会尝试获得锁,但 synchronized 是⾮公平的,所以假定继承⼈不⼀定能获得锁。这是因为对于重量级锁,线程先⾃旋尝试获得锁,这样做的⽬的是为了减少执⾏操作系统同步操作带来的开销。如果⾃旋不成功再进⼊等待队列。这对那些已经在等待队列中的线程来说,稍微显得不公平,还有⼀个不公平的地⽅是⾃旋线程可能会抢占了Ready线程的锁。线程获得锁后调⽤ Object.wait ⽅法,则会将线程加⼊到WaitSet中,当被 Object.notify 唤醒后,会将线程从WaitSet移动到Contention List或EntryList中去。需要注意的是,当调⽤⼀个锁对象的 wait 或 notify ⽅法时,如当前锁的状态是偏向锁或轻量级锁则会先膨胀成重量级锁。

同时,Monitor对象存在于每个Java对象的对象头Mark Word中(存储的指针的指向),Synchronized锁便是通过这种方式
获取锁的,也是为什么Java中任意对象可以作为锁的原因,同时notify/notifyAll/wait等方法会使用到Monitor锁对象,所以必须在同步代码块中使用。监视器Monitor有两种同步方式:互斥与协作。多线程环境下线程之间如果需要共享数据,需要解决互斥访问数据的问题,监视器可以确保监视器上的数据在同一时刻只会有一个线程在访问。
那么有个问题来了,我们知道synchronized加锁加在对象上,对象是如何记录锁状态的呢?答案是锁状态是被记录在每个对象的对象头(Mark Word)中,即:
在这里插入图片描述

对象布局

HotSpot虚拟机中,对象在内存中存储的布局可以分为三块区域:对象头(Header)、实例数据(Instance Data)和对齐填充(Padding)。
对象头:比如 hash码,对象所属的年代,对象锁,锁状态标志,偏向锁(线程)ID,偏向时间,数组长度(数组对象)等。Java对象头一般占有2个机器码(在32位虚拟机中,1个机器码等于4字节,也就是32bit,在64位虚拟机中,1个机器码是8个字节,也就是64bit),但是 如果对象是数组类型,则需要3个机器码,因为JVM虚拟机可以通过Java对象的元数据信息确定Java对象的大小,但是无法从数组的元数据来确认数组的大小,所以用一块来记录数组长度。

实例数据:存放类的属性数据信息,包括父类的属性信息;

对齐填充:由于虚拟机要求 对象起始地址必须是8字节的整数倍。填充数据不是必须存在的,仅仅是为了字节对齐;

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