Monitor

1、简介

我们Java程序员编码时谈论的最多的两个字就是对象，Java中几乎所有的技术都是围绕对象展开。本文将要讲述的Monitor并不是Java对象，而是在操作系统中关联的“对象”，Monitor是Java重量级锁synchronized实现的关键，因此学习Java单机同步机制就离不开对Monitor的剖析。Monitor从Java层面经常被人们称为监视器锁，而在操作系统层面称为管程。

2、对象头

Monitor与Java对象头相关联，因此剖析Monitor之前必须了解Java对象的组成结构。Java对象在内存中由三部分组成，分别是对象头、实例数据、对齐填充。以32位虚拟机为例（64位不同），对象头（Header）占8个字节共64位（数组对象头与普通对象头不同，数组对象头12个字节共96位）；实例数据（Instance Data）存储这对象的实际数据，因此大小与实际数据大小一致；对齐填充（Padding）是可选项，用于将内存对齐为8字节的整数倍。

普通对象内存组成

数组对象内存组成

如上两张图展示了Java对象内存结构，本文说的Monitor和这个有啥关系呢？其实对象头（Header）中的Mark Word就是用来存放Monitor对象的指针的，在一开始小捌就说了Monitor并不是Java对象，而是在操作系统中关联的“对象”，因此Java对象如果想要和Monitor进行关联，就必须在Java对象中记录Monitor的内存地址，这样才能通过Java对象找到这个Monitor嘛！

注：Klass Word存放的是指向对象对应的Class对象的指针。

3、Mark Word

可想而知，想要深入探讨Monitor肯定避不开Mark Word，这个时候暴躁的程序员小哥肯定不爽了，你特么不是说Mark Word中存放的Monitor的内存地址么，我知道了啊……

别急，并不是想的那样的，这里稍微有一丢丢复杂，听我慢慢道来。

Java对象在不同的状态下，Mark Word存储的值完全不同，尤其是在JDK1.6对锁优化之后，Mark Word这32bits内存空间，真的是被Java大师们压榨到了极致。了解这个需要有一定的JVM和synchronized知识，如果不懂的话也无所谓，先了解就好，后面我们一起学习synchronized锁升级过程。

初始状态下Java对象头的Mark Word里默认存储的是对象的hashcode、GC分代年龄、是否偏向锁和锁标志位

偏向锁Java对象头的Mark Word存储结构如下

轻量级锁Java对象头的Mark Word存储结构如下

重量级锁Java对象头的Mark Word存储结构如下

4、Monitor

上面铺垫了这么多东西，其实就是为了讲述Monitor和Java对象头中Mark Word的关系，可以看出来只有在重量级锁的情况下Java对象头中Mark Word才会关联一个Monitor对象，那么Monitor又是个什么东西呢？我相信你一定很好奇吧！

Monitor内部分由三部分组成分别是Owner、EntryList、WaitSet；

• Owner用于记录当前Monitor的所属线程
• EntryList是一个链表结构，用于记录阻塞在当前锁对象上的线程
• WaitSet用于记录获取锁之后进入Waiting状态的线程

当对象锁发生锁竞争时，在同一时刻只有一个线程能够获取到锁，其他线程会进入阻塞（BLOCKED）状态，此时这些被阻塞的线程就会进入EntryList中等待锁持有者释放锁后被唤醒，再次参与锁竞争（非公平）。如下所示，当Thread1持有锁时，Thread2、Thread3、Thread4均无法获取锁从而进入阻塞队列，等待Thread1执行完同步代码块之后通知阻塞队列中等待的线程重新竞争锁，竞争成功的线程成为锁拥有者，失败的线程继续在阻塞队列中阻塞。

当对象获取到锁之后，由于某些资源并未准备完成，需要等待其他线程去准备资源，此时线程会通过wait()/notify()等方法进入等待/通知模式，在这种情况下线程释放锁之后会进入WaitSet，当其他线程准备好资源之后会通知WaitSet中等待的线程，WaitSet中的线程会进入到EntryList中，重新参与锁竞争。

5、monitorente && monitorexit

知道了Monitor是什么，也知道了Java对象与Monitor之间的关系，但是还有一层疑问；程序在运行过程中是如何知道要给Java对象去关联一个Monitor呢？

这就需要一点点Java字节码相关的知识了，Java的源代码在编译器编译之后生成的Class文件中存储的是字节码指令，程序执行本质上是一条条指令按照既定顺序的流水线工作，那这只有一种可能了，编译器在编译成Java字节码时做了记号，这个记号就是monitorente /monitorexit。

我们先来看一段简单的synchronized代码块：

/**

* @Author: Liziba

*/

public class MonitorDemo {

   static final Object LOCK = new Object();

   static int count = 0;

   public static void main(String[] args) {

       synchronized (LOCK) {

           count++;

       }

   }

}

然后在IDEA中借助ByteCode Viewer插件查看类的字节码指令（安装后如果插件未失效可以重启IDEA）

在Toolbar中点击View选择Show Bytecode With Jclasslib

此时找到synchronized关键字所在的main方法，选择字节码页签，即可看到main方法的字节码指令了。

字节码指令如下：

0 getstatic #2 <com/lzb/concurrency/demo2/MonitorDemo.LOCK : Ljava/lang/Object;>

3 dup  

4 astore_1

5 monitorenter

6 getstatic #3 <com/lzb/concurrency/demo2/MonitorDemo.count : I>

9 iconst_1

10 iadd

11 putstatic #3 <com/lzb/concurrency/demo2/MonitorDemo.count : I>

14 aload_1

15 monitorexit

16 goto 24 (+8)

19 astore_2

20 aload_1

21 monitorexit

22 aload_2

23 athrow

24 return

前三行字节码分别表示：

• getstatic 获取静态锁对象LOCK
• dup 复制一份LOCK对象的引用，用于锁退出
• astore_1 复制的引用存入临时变量1中   3 dup reference -> slot 1

0 getstatic #2 <com/lzb/concurrency/demo2/MonitorDemo.LOCK : Ljava/lang/Object;>

3 dup  

4 astore_1

synchronized临界区七行字节码分别表示：

• monitorenter 关联一个操作系统Monitor对象，替换LOCK对象的Mark Word为Monitor地址
• getstatic 获取静态变量count
• iadd count++操作
• putstatic 赋值++操作后的count
• aload_1 获取LOCK对象的引用，上面dup复制后astore_1 指令存储的那份地址
• monitorexit 还原Mark Word，将Monitor对象指针替换为monitorenter 加锁时保存在Monitor对象中的数据，如hashcode、分代年龄等数据；同时唤醒等待在EntryList中阻塞等待的线程。

5 monitorenter

6 getstatic #3 <com/lzb/concurrency/demo2/MonitorDemo.count : I>

9 iconst_1

10 iadd

11 putstatic #3 <com/lzb/concurrency/demo2/MonitorDemo.count : I>

14 aload_1

15 monitorexit

最后几条指令涉及到异常产生时JVM释放锁的处理和方法返回，首先要看一个异常表：

异常表中有两行记录：

• 第一行表示：6 -> 16行字节码中发生了异常，会跳转到19行，这就是synchronized加锁的代码区域，如果加锁中出现异常，JVM会处理异常，正确释放锁
• 第二行表示：19 -> 22行字节码中发生了异常，会跳转到19行，

未发生异常情况：

• goto 24 (+8) 没有产生异常，直接执行24行指令
• return 方法运行结束

16 goto 24 (+8)

...

24 return

发生异常情况：

• astore_2   将异常对象存储到临时变量中 e -> slot 2
• aload_1 加载LOCK锁对象引用地址
• monitorexit 还原Mark Word，将Monitor对象指针替换为monitorenter 加锁时保存在Monitor对象中的数据，如hashcode、分代年龄等数据；同时唤醒等待在EntryList中阻塞等待的线程。
• aload_2 加载异常对象
• athrow 抛出异常对象
• return 方法运行结束

16 goto 24 (+8)

19 astore_2

20 aload_1

21 monitorexit

22 aload_2

23 athrow

24 return