Java并发编程中的基础概念Monitor
原创
你好，这里是codetrend专栏“高并发编程基础”。
引言
在Java并发编程中，Monitor（监视器）是一种同步机制，用于实现线程间的互斥访问和共享资源的同步。它是一种基本的并发控制原语，在Java中以对象的形式存在。
每个Java对象都有一个与之关联的Monitor，可以通过synchronized关键字来使用该Monitor。当一个线程获得了一个对象的Monitor锁时，它就可以进入临界区，执行对应的同步代码块或方法。其他线程必须等待该Monitor的锁释放后才能进入临界区。
Monitor提供了以下核心概念：
- 锁定（Locking）：一个Monitor只能被一个线程锁定，其他线程需要等待锁的释放才能继续执行。
- 互斥性（Mutual Exclusion）：在任意时刻，只能有一个线程执行Monitor中的同步代码，并保证线程间的互斥访问。
- 条件变量（Condition Variables）：Monitor可以使用条件变量来实现线程间的协作与通信。通过wait()方法释放锁并等待条件满足，通过notify()或notifyAll()方法唤醒等待的线程。
- 线程调度（Thread Scheduling）：Monitor中的线程遵循一定的调度规则，例如公平锁会按照先后顺序唤醒等待的线程。
Monitor在Java中被广泛应用于同步代码块、同步方法、管程等场景，用于保护共享资源的访问，避免并发访问的竞态条件和数据不一致问题。通过使用Monitor，可以实现线程安全和正确的多线程编程。
Java对象头
Java对象头（Object Header）是Java虚拟机中用于管理对象的一部分元数据，存储在每个Java对象的内存中。它包含了一些重要的信息，用于支持对象的运行时特性和垃圾回收。
Java对象头通常占用一个机器字（Word）大小，具体大小取决于虚拟机的实现和运行环境。
Java对象头中包含的信息可以分为两类：
- Mark Word（标记字段）：Mark Word是对象头中最重要的字段，用于存储对象的运行时数据和锁相关的信息。它可以包含以下内容：
- 对象的哈希码（HashCode）：用于快速比较对象是否相等。
- 锁状态标志：记录对象的锁状态，比如无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁等。
- GC标记位：用于标记对象是否被垃圾回收器访问过。
- 偏向锁的线程ID：当对象被偏向锁锁定时，记录拥有偏向锁的线程ID。
- 偏向时间戳：记录上次成功获取偏向锁的时间戳。
- 类型指针（Klass Pointer）：类型指针指向对象的类元数据，用于确定对象的类型信息，包括方法表、字段表等。通过类型指针，虚拟机可以确定对象的具体类型，并进行动态分派。
Java对象头在内存中紧跟在对象的地址之后，它是实现Java虚拟机的关键组成部分。对象头的布局和具体内容可能因不同的虚拟机实现而有所差异，但它们都具有类似的作用，用于支持对象的运行时特性、锁机制和垃圾回收。
Monitor对象
每个 Java 对象都可以关联一个 Monitor 对象，这是通过对象头中的 Mark Word 实现的。在对象头中，Mark Word 可以存储一些运行时数据和锁相关的信息，其中一个重要的信息就是指向 Monitor 对象的指针。当我们使用 synchronized 给对象上锁时，该对象的 Mark Word 就会被设置为指向 Monitor 对象的指针，这样就将对象与 Monitor 对象关联了起来。
这种关联方式是基于“重量级锁”的实现方式。在 Java 中，synchronized 关键字的实现有两种方式：轻量级锁和重量级锁。轻量级锁是一种基于对象头中的 CAS 操作实现的锁，用于提高并发性能。但是，当轻量级锁无法满足锁的需求时，就会升级为重量级锁。重量级锁是一种基于 Monitor 对象实现的锁，它可以保证多线程之间的互斥访问和同步执行。
在重量级锁的实现中，每个 Monitor 对象都与一个互斥锁相关联，用于控制对共享资源的访问。当一个线程尝试获得一个被锁定的对象时，它就会阻塞，并且该对象的 Mark Word 中的锁状态标志会被设置为“重量级锁”。此时，该对象就不再使用轻量级锁了，而是使用基于 Monitor 对象实现的重量级锁。同时，该对象头的 Mark Word 中就被设置指向 Monitor 对象的指针，将对象与 Monitor 对象关联起来。
因此，Java 对象头中的 Mark Word 和 Monitor 对象是实现 Java 中锁机制的两个关键元素。它们共同保证了多线程之间的互斥访问和同步执行，确保了程序的正确性和安全性。在多线程编程中，需要充分理解对象头和 Monitor 对象的作用，合理地使用 synchronized 关键字，才能编写出高效、安全和正确的多线程程序。
graph LR
A(Java对象) --> B[对象头Object Header]
B --> C[Mark Word]
B --> D[Monitor对象指针]编程示例
示例代码如下：
package engineer.concurrent.battle.fcontact;
public class MonitorObjectTest {
static final Object lock = new Object();
static int counter = 0;
public static void main(String[] args) {
synchronized (lock) {
counter++;
System.out.println(counter);
}
}
}通过 javap -c MonitorObjectTest 输出字节码如下：
public class engineer.concurrent.battle.fcontact.MonitorObjectTest {
static final java.lang.Object lock;
static int counter;
public engineer.concurrent.battle.fcontact.MonitorObjectTest();
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
public static void main(java.lang.String[]);
Code:
0: getstatic #7 // Field lock:Ljava/lang/Object;
3: dup
4: astore_1
5: monitorenter // 将 lock对象 MarkWord 置为 Monitor 指针
6: getstatic #13 // Field counter:I
9: iconst_1
10: iadd
11: putstatic #13 // Field counter:I
14: getstatic #17 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
17: getstatic #13 // Field counter:I
20: invokevirtual #23 // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
23: aload_1
24: monitorexit // 将 lock对象 MarkWord 重置, 唤醒 EntryList
25: goto 33
28: astore_2
29: aload_1
30: monitorexit
31: aload_2
32: athrow
33: return
Exception table:
from to target type
6 25 28 any
28 31 28 any
static {};
Code:
0: new #2 // class java/lang/Object
3: dup
4: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
7: putstatic #7 // Field lock:Ljava/lang/Object;
10: iconst_0
11: putstatic #13 // Field counter:I
14: return
}通过字节码可以发现 锁开始会执行monitorenter，锁结束会执行monitorexit。
关于作者
来自一线全栈程序员nine的探索与实践，持续迭代中。
原创声明：本文系作者授权腾讯云开发者社区发表，未经许可，不得转载。
如有侵权，请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。
原创声明：本文系作者授权腾讯云开发者社区发表，未经许可，不得转载。
如有侵权，请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。