说明

　　Monitor，直译为“监视器”，而操作系统领域一般翻译为“管程”。管程是指管理共享变量以及对共享变量操作的过程，让它们支持并发。在Java 1.5之前，Java语言提供的唯一并发语言就是管程，Java 1.5之后提供的SDK并发包也是以管程为基础的。除了Java之外，C/C++、C#等高级语言也都是支持管程的。synchronized关键字和wait()、notify()、notifyAll()这三个方法是Java中实现管程技术的组成部分。

 

MESA模型分析

　　在管程的发展史上，先后出现过三种不同的管程模型，分别是Hasen模型、Hoare模型和 MESA模型。现在正在广泛使用的是MESA模型。下面我们便介绍MESA模型：

 

 

 

　　管程中引入了条件变量的概念，而且每个条件变量都对应有一个等待队列。条件变量和等待 队列的作用是解决线程之间的同步问题。

　　分析作用：

　　　　　入口等待队列：试图要获取锁的线程都必须要进入到这个队列，只有在这个队列里面才能获取锁，而且每次都是获取到锁才会出队。

　　　　　条件变量等待队列：这个是为已获得锁的成员进入等待阻塞准备的，当需要等待条件满足时，为了更好的利用CPU，让线程进入等待阻塞，而什么时候再次获得锁，也就是当等待的条件满足了，就会从这个队列中出去，进入到入口等待队列中，再次获取锁。

 

wait()的正确使用姿势

　　对于MESA管程来说，有一个编程范式：

while(条件不满足) {
 wait();
}

　　唤醒的时间和获取到锁继续执行的时间是不一致的，被唤醒的线程再次执行时可能条件又不满足了，所以循环检验条件。MESA模型的wait()方法还有一个超时参数，为了避免线程进入等待 队列永久阻塞。

 

notify()和notifyAll()分别何时使用

　　满足以下三个条件时，可以使用notify()，其余情况尽量使用notifyAll()：

1. 所有等待线程拥有相同的等待条件；
2. 所有等待线程被唤醒后，执行相同的操作；
3. 只需要唤醒一个线程。

　　要知道notify()是随机唤醒一个，而notifyAll()则是唤醒全部。如果是要唤醒特定的线程，最好用notifyAll() + while(条件不满足)来保证指定线程会被唤醒。

 

实际案例：Java语言的内置管程synchronized

　　　　Java 参考了 MESA 模型，语言内置的管程（synchronized）对 MESA 模型进行了精简。MESA模型中，条件变量可以有多个，Java 语言内置的管程里只有一个条件变量。模型如下图所示：

 

　　　　Monitor机制在Java中的实现

　　　　　　说明

　　　　　　　　java.lang.Object 类定义了 wait()，notify()，notifyAll() 方法，这些方法的具体实现，依赖于 ObjectMonitor 实现，这是 JVM 内部基于 C++ 实现的一套机制。

　　　　　　　　所谓ObjectMonitor ，是独立的对象监视器，其中的_object便是用于存储synchronized (lock)中的lock。

　　　　　　　　ObjectMonitor其主要数据结构如下（hotspot源码ObjectMonitor.hpp）：

ObjectMonitor() {
    _header = NULL; //对象头 markOop
    _count = 0;
    _waiters = 0,
    _recursions = 0; // 锁的重入次数
    _object = NULL; //存储锁对象
    _owner = NULL; // 标识拥有该monitor的线程（当前获取锁的线程）
    _WaitSet = NULL; // 等待线程（调用wait）组成的双向循环链表，_WaitSet是第一个节点
    _WaitSetLock = 0;
    _Responsible = NULL ;
    _succ = NULL ;
    _cxq = NULL ; //多线程竞争锁会先存到这个单向链表中 （FILO栈结构）
    FreeNext = NULL ;
    _EntryList = NULL ; //存放在进入或重新进入时被阻塞(blocked)的线程 (也是存竞争锁失败的线程)
    _SpinFreq = 0;
    _SpinClock = 0;
    OwnerIsThread = 0;
    _previous_owner_tid = 0;
}

　　　　　　图示流程：

 

　　　　　　说明

　　　　　　　　在获取锁时，是将当前线程插入到cxq的头部，而释放锁时，默认策略（QMode=0）是：如果EntryList为空，则将cxq中的元素按原有顺序插入到EntryList，并唤醒第一个线程，也就是当EntryList为空时，是后来的线程先获取锁。_EntryList不为空，直接从_EntryList中唤醒线程。

　　　　　　

　　　　　　示例演示：

　　　　　　　　1.情况1，三个线程ABC，分别去获取锁，顺序为A,B,C，如果A业务时间较长，则BC都应该进入到_cxq中（FILO栈结构）【C，B】，由于_EntryList为空，则将cxq中的元素按原有顺序插入到EntryList【B，C】,此时C先获取锁。结果为：

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

 

　　　　　　　　2.情况2，三个线程ABC，分别去获取锁，顺序为A,B,C，如果A业务时间较短，进入等待状态，进入_WaitSet中等待，则B进入时_cxq和_EntryList为空，B直接获取锁，执行业务时间较长，且C进入到_cxq中，而A也从_WaitSet中满足条件进入到了_EntryList中，当B释放锁时，应该在_EntryList中的A先获取锁，当_EntryList为空时，将_cxq中的C转入到_EntryList，等A释放后，C才能获取锁。结果为：

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

 

　　　　　　　　3.示例代码展示：

public class SyncQModeDemo {

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

        SyncQModeDemo demo = new SyncQModeDemo();

        demo.startThreadA();
        //控制线程执行时间
        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);  //对应情况1，模拟业务时间
                    //lock.wait(300);  //对应情况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();
    }

}