Java 中的 Monitor 机制

monitor的概念

管程，英文是 Monitor，也常被翻译为“监视器”，monitor 不管是翻译为“管程”还是“监视器”，都是比较晦涩的，通过翻译后的中文，并无法对 monitor 达到一个直观的描述。
在《操作系统同步原语》 这篇文章中，介绍了操作系统在面对 进程/线程 间同步的时候，所支持的一些同步原语，其中 semaphore 信号量 和 mutex 互斥量是最重要的同步原语。
在使用基本的 mutex 进行并发控制时，需要程序员非常小心地控制 mutex 的 down 和 up 操作，否则很容易引起死锁等问题。为了更容易地编写出正确的并发程序，所以在 mutex 和 semaphore 的基础上，提出了更高层次的同步原语 monitor，不过需要注意的是，操作系统本身并不支持 monitor 机制，实际上，monitor 是属于编程语言的范畴，当你想要使用 monitor 时，先了解一下语言本身是否支持 monitor 原语，例如 C 语言它就不支持 monitor，Java 语言支持 monitor。
一般的 monitor 实现模式是编程语言在语法上提供语法糖，而如何实现 monitor 机制，则属于编译器的工作，Java 就是这么干的。

monitor 的重要特点是，同一个时刻，只有一个 进程/线程 能进入 monitor 中定义的临界区，这使得 monitor 能够达到互斥的效果。但仅仅有互斥的作用是不够的，无法进入 monitor 临界区的 进程/线程，它们应该被阻塞，并且在必要的时候会被唤醒。显然，monitor 作为一个同步工具，也应该提供这样的管理 进程/线程 状态的机制。想想我们为什么觉得 semaphore 和 mutex 在编程上容易出错，因为我们需要去亲自操作变量以及对 进程/线程 进行阻塞和唤醒。monitor 这个机制之所以被称为“更高级的原语”，那么它就不可避免地需要对外屏蔽掉这些机制，并且在内部实现这些机制，使得使用 monitor 的人看到的是一个简洁易用的接口。

monitor 基本元素

monitor 机制需要几个元素来配合，分别是：

1. 临界区
2. monitor 对象及锁
3. 条件变量以及定义在 monitor 对象上的 wait，signal 操作。

使用 monitor 机制的目的主要是为了互斥进入临界区，为了做到能够阻塞无法进入临界区的 进程/线程，还需要一个 monitor object 来协助，这个 monitor object 内部会有相应的数据结构，例如列表，来保存被阻塞的线程；同时由于 monitor 机制本质上是基于 mutex 这种基本原语的，所以 monitor object 还必须维护一个基于 mutex 的锁。
此外，为了在适当的时候能够阻塞和唤醒 进程/线程，还需要引入一个条件变量，这个条件变量用来决定什么时候是“适当的时候”，这个条件可以来自程序代码的逻辑，也可以是在 monitor object 的内部，总而言之，程序员对条件变量的定义有很大的自主性。不过，由于 monitor object 内部采用了数据结构来保存被阻塞的队列，因此它也必须对外提供两个 API 来让线程进入阻塞状态以及之后被唤醒，分别是 wait 和 notify。

Java 语言对 monitor 的支持

monitor 是操作系统提出来的一种高级原语，但其具体的实现模式，不同的编程语言都有可能不一样。以下以 Java 的 monitor 为例子，来讲解 monitor 在 Java 中的实现方式。

临界区的圈定

在 Java 中，可以采用 synchronized 关键字来修饰实例方法、类方法以及代码块，如下所示：

/**
 * @author beanlam
 * @version 1.0
 * @date 2018/9/12
 */
public class Monitor {

    private Object ANOTHER_LOCK = new Object();

    private synchronized void fun1() {
    }

    public static synchronized void fun2() {
    }

    public void fun3() {
        synchronized (this) {
        }
    }

    public void fun4() {
        synchronized (ANOTHER_LOCK) {
        }
    }
}

被 synchronized 关键字修饰的方法、代码块，就是 monitor 机制的临界区。

monitor object

可以发现，上述的 synchronized 关键字在使用的时候，往往需要指定一个对象与之关联，例如 synchronized(this)，或者 synchronized(ANOTHER_LOCK)，synchronized 如果修饰的是实例方法，那么其关联的对象实际上是 this，如果修饰的是类方法，那么其关联的对象是 this.class。总之，synchronzied 需要关联一个对象，而这个对象就是 monitor object。
monitor 的机制中，monitor object 充当着维护 mutex以及定义 wait/signal API 来管理线程的阻塞和唤醒的角色。
Java 语言中的 java.lang.Object 类，便是满足这个要求的对象，任何一个 Java 对象都可以作为 monitor 机制的 monitor object。
Java 对象存储在内存中，分别分为三个部分，即对象头、实例数据和对齐填充，而在其对象头中，保存了锁标识；同时，java.lang.Object 类定义了 wait()，notify()，notifyAll() 方法，这些方法的具体实现，依赖于一个叫 ObjectMonitor 模式的实现，这是 JVM 内部基于 C++ 实现的一套机制，基本原理如下所示：

当一个线程需要获取 Object 的锁时，会被放入 EntrySet 中进行等待，如果该线程获取到了锁，成为当前锁的 owner。如果根据程序逻辑，一个已经获得了锁的线程缺少某些外部条件，而无法继续进行下去（例如生产者发现队列已满或者消费者发现队列为空），那么该线程可以通过调用 wait 方法将锁释放，进入 wait set 中阻塞进行等待，其它线程在这个时候有机会获得锁，去干其它的事情，从而使得之前不成立的外部条件成立，这样先前被阻塞的线程就可以重新进入 EntrySet 去竞争锁。这个外部条件在 monitor 机制中称为条件变量。

synchronized 关键字

synchronized 关键字是 Java 在语法层面上，用来让开发者方便地进行多线程同步的重要工具。要进入一个 synchronized 方法修饰的方法或者代码块，会先获取与 synchronized 关键字绑定在一起的 Object 的对象锁，这个锁也限定了其它线程无法进入与这个锁相关的其它 synchronized 代码区域。

网上很多文章以及资料，在分析 synchronized 的原理时，基本上都会说 synchronized 是基于 monitor 机制实现的，但很少有文章说清楚，都是模糊带过。
参照前面提到的 Monitor 的几个基本元素，如果 synchronized 是基于 monitor 机制实现的，那么对应的元素分别是什么？
它必须要有临界区，这里的临界区我们可以认为是对对象头 mutex 的 P 或者 V 操作，这是个临界区
那 monitor object 对应哪个呢？mutex？总之无法找到真正的 monitor object。
所以我认为“synchronized 是基于 monitor 机制实现的”这样的说法是不正确的，是模棱两可的。
Java 提供的 monitor 机制，其实是 Object，synchronized 等元素合作形成的，甚至说外部的条件变量也是个组成部分。JVM 底层的 ObjectMonitor 只是用来辅助实现 monitor 机制的一种常用模式，但大多数文章把 ObjectMonitor 直接当成了 monitor 机制。
我觉得应该这么理解：Java 对 monitor 的支持，是以机制的粒度提供给开发者使用的，也就是说，开发者要结合使用 synchronized 关键字，以及 Object 的 wait / notify 等元素，才能说自己利用 monitor 的机制去解决了一个生产者消费者的问题。