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并发王者课-青铜7:顺藤摸瓜-如何从synchronized中的锁认识Monitor

秦二爷

在前面的文章中,我们已经体验过synchronized的用法,并对锁的概念和原理做了简单的介绍。然而,你可能已经察觉到,有一个概念似乎总是和synchronized这两个概念如影相随,很多人也比较喜欢问它们之间的区别,这个概念就是Monitor,也叫监视器

所以,在讲解完synchronized、锁之后,文本将为你讲解Monitor,揭示它们之间那些公开的秘密,希望你不再迷惑。

首先,你要明白的是,Monitor作为一种同步机制,它并非Java所特有,但Java实现了这一机制。

为了具象地理解Monitor这一抽象概念,我们先来分析身边的一个常见场景。

一、从医院排队就诊机制理解Monitor

相信你一定有过去医院就诊的经历。我们去医院时,情况一般是这样的:

  • 首先,我们在门诊大厅前台或自助挂号机进行挂号
  • 随后,挂号结束后我们找到对应的诊室就诊

    • 诊室每次只能有一个患者就诊;
    • 如果此时诊室空闲,直接进入就诊;
    • 如果此时诊室内有患者正在就诊,那么我们进入候诊室,等待叫号;
  • 就诊结束后,走出就诊室,候诊室的下一位候诊患者进入就诊室。

这个就诊过程你一定耳熟能详,理解起来必然毫不费力气。我们做了一张图展示图下:

仔细看这幅图中的就诊过程,如果你理解了这个过程,你就理解了Monitor. 这么简单吗?不要怀疑自己,是的。你竟然早已理解Monitor机制

不要小看这个机制,它可是生活中的智慧体现。在这个就诊机制中,它起到了两个关键性的作用

  • 互斥(mutual exclusion ):每次只允许一个患者进入候诊室就诊;
  • 协作(cooperation):就诊室中的患者就诊结束后,可以通知候诊区的下一位患者。

明白了吗?你在医院就诊的过程竟然和Monitor的机制几乎一模一样。我们换个方式来描述Monitor在计算机科学中的作用:

  • 互斥(mutual exclusion ):每次只允许一个线程进入临界区;
  • 协作(cooperation):当临界区的线程执行结束后满足特定条件时,可以通知其他的等待线程进入。

而就诊过程中的门诊大厅就诊室候诊室则恰好对应着Monitor中的三个关键概念。其中:

  • 门诊大厅:所有待进入的线程都必须先在入口(Entry Set)挂号才有资格;
  • 就诊室:一个每次只能有一个线程进入的特殊房间(Special Room)
  • 候诊室:就诊室繁忙时,进入等待区(Wait Set)

我们把上面的图稍作调整,就可以看到Monitor在Java中的模样:

对比来看,相信你已经很直观地理解Monitor机制。再一回味,你会发现synchronized正是对Monitor机制的一种实现。而在Java中,每一个对象都会关联一个监视器

二、从synchronized源码感受Monitor

既然synchronized是对Monitor机制的一种实现,为了让你更有体感,我们可以写一段极简代码一探究竟。

这段代码极为简单,但是够用,我们在代码中使用了synchronized关键字:

public class SyncMonitorDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Object o = new Object();
        synchronized (o) {
            System.out.println("locking...");
        }
    }
}

代码写好后,分别执行javac SyncMonitorDemo.javajavap -v SyncMonitorDemo.class,随后你就能得到下面这样的字节码:

Classfile SyncMonitorDemo.class
  Last modified May 26, 2021; size 684 bytes
  MD5 checksum e366920f22845e98c45f26531596d6cf
  Compiled from "SyncMonitorDemo.java"
public class cn.tao.king.juc.execises1.SyncMonitorDemo
  minor version: 0
  major version: 49
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #2.#22         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Class              #23            // java/lang/Object
   #3 = Fieldref           #24.#25        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #4 = String             #26            // locking...
   #5 = Methodref          #27.#28        // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
   #6 = Class              #29            // cn/tao/king/juc/execises1/SyncMonitorDemo
   #7 = Utf8               <init>
   #8 = Utf8               ()V
   #9 = Utf8               Code
  #10 = Utf8               LineNumberTable
  #11 = Utf8               LocalVariableTable
  #12 = Utf8               this
  #13 = Utf8               Lcn/tao/king/juc/execises1/SyncMonitorDemo;
  #14 = Utf8               main
  #15 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #16 = Utf8               args
  #17 = Utf8               [Ljava/lang/String;
  #18 = Utf8               o
  #19 = Utf8               Ljava/lang/Object;
  #20 = Utf8               SourceFile
  #21 = Utf8               SyncMonitorDemo.java
  #22 = NameAndType        #7:#8          // "<init>":()V
  #23 = Utf8               java/lang/Object
  #24 = Class              #30            // java/lang/System
  #25 = NameAndType        #31:#32        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #26 = Utf8               locking...
  #27 = Class              #33            // java/io/PrintStream
  #28 = NameAndType        #34:#35        // println:(Ljava/lang/String;)V
  #29 = Utf8               cn/tao/king/juc/execises1/SyncMonitorDemo
  #30 = Utf8               java/lang/System
  #31 = Utf8               out
  #32 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #33 = Utf8               java/io/PrintStream
  #34 = Utf8               println
  #35 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
{
  public cn.tao.king.juc.execises1.SyncMonitorDemo();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 3: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lcn/tao/king/juc/execises1/SyncMonitorDemo;

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=4, args_size=1
         0: new           #2                  // class java/lang/Object
         3: dup
         4: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         7: astore_1
         8: aload_1
         9: dup
        10: astore_2
        11: monitorenter
        12: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        15: ldc           #4                  // String locking...
        17: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
        20: aload_2
        21: monitorexit
        22: goto          30
        25: astore_3
        26: aload_2
        27: monitorexit
        28: aload_3
        29: athrow
        30: return
      Exception table:
         from    to  target type
            12    22    25   any
            25    28    25   any
      LineNumberTable:
        line 5: 0
        line 6: 8
        line 7: 12
        line 8: 20
        line 9: 30
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      31     0  args   [Ljava/lang/String;
            8      23     1     o   Ljava/lang/Object;
}
SourceFile: "SyncMonitorDemo.java"

javap是JDK自带的一个反汇编命令。你可以忽略其他不必要的信息,直接在结果中找到下面这段代码:

11: monitorenter
12: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
15: ldc           #4                  // String locking...
17: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
20: aload_2
21: monitorexit

看到monitorentermonitorexit指令,相信智慧的你已经看穿一切。

以上就是文本的全部内容,恭喜你又上了一颗星✨

夫子的试炼

  • 写一段包含synchronized关键字的代码,使用javap命令观察结果。

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