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天津11选5遗漏号top:深入理解多線程(四)—— Moniter的實現原理

開發十年,就只剩下這套架構體系了??!

天津11选5蛋托玩法 www.ijudhr.com.cn 在深入理解多線程(一)——Synchronized的實現原理中介紹過關于Synchronize的實現原理,無論是同步方法還是同步代碼塊,無論是ACC_SYNCHRONIZED還是monitorenter、monitorexit都是基于Monitor實現的,那么這篇來介紹下什么是Monitor。

操作系統中的管程

如果你在大學學習過操作系統,你可能還記得管程(monitors)在操作系統中是很重要的概念。同樣Monitor在java同步機制中也有使用。

管程 (英語:Monitors,也稱為監視器) 是一種程序結構,結構內的多個子程序(對象或??椋┬緯傻畝喔齬ぷ饗叱袒コ夥夢使蠶磣試?。這些共享資源一般是硬件設備或一群變量。管程實現了在一個時間點,最多只有一個線程在執行管程的某個子程序。與那些通過修改數據結構實現互斥訪問的并發程序設計相比,管程實現很大程度上簡化了程序設計。 管程提供了一種機制,線程可以臨時放棄互斥訪問,等待某些條件得到滿足后,重新獲得執行權恢復它的互斥訪問。

Java線程同步相關的Moniter

在多線程訪問共享資源的時候,經?;崠純杉院馱有緣陌踩侍?。為了解決這類線程安全的問題,Java提供了同步機制、互斥鎖機制,這個機制保證了在同一時刻只有一個線程能訪問共享資源。這個機制的保障來源于監視鎖Monitor,每個對象都擁有自己的監視鎖Monitor。

先來舉個例子,然后我們在上源碼。我們可以把監視器理解為包含一個特殊的房間的建筑物,這個特殊房間同一時刻只能有一個客人(線程)。這個房間中包含了一些數據和代碼。

Java-Monitor

如果一個顧客想要進入這個特殊的房間,他首先需要在走廊(Entry Set)排隊等待。調度器將基于某個標準(比如 FIFO)來選擇排隊的客戶進入房間。如果,因為某些原因,該客戶客戶暫時因為其他事情無法脫身(線程被掛起),那么他將被送到另外一間專門用來等待的房間(Wait Set),這個房間的可以可以在稍后再次進入那件特殊的房間。如上面所說,這個建筑屋中一共有三個場所。

java-monitor-associate-with-object

總之,監視器是一個用來監視這些線程進入特殊的房間的。他的義務是保證(同一時間)只有一個線程可以訪問被?;さ氖鶯痛?。

Monitor其實是一種同步工具,也可以說是一種同步機制,它通常被描述為一個對象,主要特點是:

對象的所有方法都被“互斥”的執行。好比一個Monitor只有一個運行“許可”,任一個線程進入任何一個方法都需要獲得這個“許可”,離開時把許可歸還。

通常提供singal機制:允許正持有“許可”的線程暫時放棄“許可”,等待某個謂詞成真(條件變量),而條件成立后,當前進程可以“通知”正在等待這個條件變量的線程,讓他可以重新去獲得運行許可。

監視器的實現

在Java虛擬機(HotSpot)中,Monitor是基于C++實現的,由ObjectMonitor實現的,其主要數據結構如下:

  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 ;
  }

源碼地址:objectMonitor.hpp

ObjectMonitor中有幾個關鍵屬性:

_owner:指向持有ObjectMonitor對象的線程

_WaitSet:存放處于wait狀態的線程隊列

_EntryList:存放處于等待鎖block狀態的線程隊列

_recursions:鎖的重入次數

_count:用來記錄該線程獲取鎖的次數

當多個線程同時訪問一段同步代碼時,首先會進入_EntryList隊列中,當某個線程獲取到對象的monitor后進入_Owner區域并把monitor中的_owner變量設置為當前線程,同時monitor中的計數器_count加1。即獲得對象鎖。

若持有monitor的線程調用wait()方法,將釋放當前持有的monitor,_owner變量恢復為null,_count自減1,同時該線程進入_WaitSet集合中等待被喚醒。若當前線程執行完畢也將釋放monitor(鎖)并復位變量的值,以便其他線程進入獲取monitor(鎖)。如下圖所示

monitor

ObjectMonitor類中提供了幾個方法:

獲得鎖

void ATTR ObjectMonitor::enter(TRAPS) {
  Thread * const Self = THREAD ;
  void * cur ;
  //通過CAS嘗試把monitor的`_owner`字段設置為當前線程
  cur = Atomic::cmpxchg_ptr (Self, &_owner, NULL) ;
  //獲取鎖失敗
  if (cur == NULL) {         assert (_recursions == 0   , "invariant") ;
     assert (_owner      == Self, "invariant") ;
     // CONSIDER: set or assert OwnerIsThread == 1
     return ;
  }
  // 如果舊值和當前線程一樣,說明當前線程已經持有鎖,此次為重入,_recursions自增,并獲得鎖。
  if (cur == Self) { 
     // TODO-FIXME: check for integer overflow!  BUGID 6557169.
     _recursions ++ ;
     return ;
  }

  // 如果當前線程是第一次進入該monitor,設置_recursions為1,_owner為當前線程
  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 ;
  }

  // 省略部分代碼。
  // 通過自旋執行ObjectMonitor::EnterI方法等待鎖的釋放
  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

釋放鎖

void ATTR ObjectMonitor::exit(TRAPS) {
   Thread * Self = THREAD ;
   //如果當前線程不是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次數不為0.自減
   if (_recursions != 0) {
     _recursions--;        // this is simple recursive enter
     TEVENT (Inflated exit - recursive) ;
     return ;
   }

   //省略部分代碼,根據不同的策略(由QMode指定),從cxq或EntryList中獲取頭節點,通過ObjectMonitor::ExitEpilog方法喚醒該節點封裝的線程,喚醒操作最終由unpark完成。

lockexit

除了enter和exit方法以外,objectMonitor.cpp中還有

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

等方法。

總結

上面介紹的就是HotSpot虛擬機中Moniter的的加鎖以及解鎖的原理。

通過這篇文章我們知道了sychronized加鎖的時候,會調用objectMonitor的enter方法,解鎖的時候會調用exit方法。事實上,只有在JDK1.6之前,synchronized的實現才會直接調用ObjectMonitor的enterexit,這種鎖被稱之為重量級鎖。為什么說這種方式操作鎖很重呢?

  • Java的線程是映射到操作系統原生線程之上的,如果要阻塞或喚醒一個線程就需要操作系統的幫忙,這就要從用戶態轉換到核心態,因此狀態轉換需要花費很多的處理器時間,對于代碼簡單的同步塊(如被synchronized修飾的getset方法)狀態轉換消耗的時間有可能比用戶代碼執行的時間還要長,所以說synchronized是java語言中一個重量級的操縱。

所以,在JDK1.6中出現對鎖進行了很多的優化,進而出現輕量級鎖,偏向鎖,鎖消除,適應性自旋鎖,鎖粗化(自旋鎖在1.4就有 只不過默認的是關閉的,jdk1.6是默認開啟的),這些操作都是為了在線程之間更高效的共享數據 ,解決競爭問題。后面的文章會繼續介紹這幾種鎖以及他們之間的關系。

Java Synchronized實現原理

JVM源碼分析之Object.wait/notify實現

Linux Kernel CMPXCHG函數分析

從jvm源碼看synchronized

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評論 3

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  1. #1

    好文~

    但時間也偷換概念7個月前 (07-20)回復
  2. #2

    真心好文,贊

    zz7個月前 (07-29)回復
  3. #3

    寫的是真的好,通俗易懂,四篇博客讀起來行云流水

    gzy7個月前 (08-13)回復

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