JVM中的java同步互斥工具应用演示及设计分析

1.火车站售票系统仿真

某火车站目前正在出售火车票，共有50张票，而它有3个售票窗口同时售票，下面设计了一个程序模拟该火车站售票，通过实现Runnable接口实现（模拟网络延迟）。
伪代码：

Ticket类：
Ticket = 50；//总共有张票
Run（）{
While（true）{
If ticket>0;//判断是否有余票
输出“正在出售第ticket- -张票”；
Else break;
Sleep（1000ms）;//模拟网络延迟
}
} 
MyTicket类：
Main（）{
New Thread1 窗口1；//创建线程1
New Thread2 窗口2；//创建线程2
New Thread3 窗口3；//创建线程3
Start Thread1，Thread2，Thread3；//开启三个线程
}

运行结果（仅截取一部分）：

上面的结果出现了相同票数的窗口,原因是ticket–不具有原子性，当窗口1休眠时，窗口3进入之后也休眠，这时窗口1苏醒了，进行到输出i的值这一步时，窗口3苏醒了并抢到了执行权，它也进行了输出i，由于上一步还没进行到i-1的步骤，因此窗口3和窗口1输出的值相同。因此需要限制修改票数的多并发。
下面一部分将介绍JVM中处理多线程并发时所用到的synchronized关键字，并介绍其是如何实现线程锁。

2.Java中synchronized关键字

2.1 synchronized关键字控制进程锁的实现结果

根据上一部分在售票过程中发现相同票数的窗口，为保证票数一致，针对多线程将才用synchronized关键字，对程序修改票数时上线程锁，在程序完成修改票数后释放线程锁。
伪代码：

Ticket类：
Ticket = 50；
Run（）{
While（true）{
Synchronized{//线程锁
If ticket>0;
输出“正在出售第ticket- -张票”；
Else break;
}
Sleep（1000ms）;
}
}
MyTicket类：
Main（）{
New Thread1 窗口1；
New Thread2 窗口2；
New Thread3 窗口3；
Start Thread1，Thread2，Thread3；
}

运行结果（仅截取一部分）：

根据结果发现使用synchronized关键字后，售票数据正常，程序运行结果无误。

2.2 synchronized关键字

2.2.1 synchronized关键字的用法

①　当synchronized作用在实例方法时，监视器锁（monitor）便是对象实例（this）；
②　当synchronized作用在静态方法时，监视器锁（monitor）便是对象的Class实例，因为Class数据存在于永久代，因此静态方法锁相当于该类的一个全局锁；
③　当synchronized作用在某一个对象实例时，监视器锁（monitor）便是括号括起来的对象实例；

2.2.2 synchronized的同步原理

查看上述代码反汇编后的结果：

实现原理：
1.monitorenter：每个对象都是一个监视器锁（monitor）。当monitor被占用时就会处于锁定状态，线程执行monitorenter指令时尝试获取monitor的所有权，过程如下：
①　如果monitor的进入数为0，则该线程进入monitor，然后将进入数设置为1，该线程即为monitor的所有者；
②　如果线程已经占有该monitor，只是重新进入，则进入monitor的进入数加1；
③　如果其他线程已经占用了monitor，则该线程进入阻塞状态，直到monitor的进入数为0，再重新尝试获取monitor的所有权；
2.monitorexit：执行monitorexit的线程必须是objectref所对应的monitor的所有者。指令执行时，monitor的进入数减1，如果减1后进入数为0，那线程退出monitor，不再是这个monitor的所有者。其他被这个monitor阻塞的线程可以尝试去获取这个 monitor 的所有权。（monitorexit指令出现了两次，第1次为同步正常退出释放锁；第2次为发生异步退出释放锁；）

3.监视器（Monitor）

任何一个对象都有一个Monitor与之关联，当且一个Monitor被持有后，它将处于锁定状态。Synchronized在JVM里的实现都是基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步，都可以通过成对的MonitorEnter和MonitorExit指令来实现。
1.MonitorEnter指令：插入在同步代码块的开始位置，当代码执行到该指令时，将会尝试获取该对象Monitor的所有权，即尝试获得该对象的锁；
2.MonitorExit指令：插入在方法结束处和异常处，JVM保证每个MonitorEnter必须有对应的MonitorExit；
####3.1 Monitor实现原理
Monitor可以把它理解为一个同步工具，也可以描述为一种同步机制，它通常被描述为一个对象。与一切皆对象一样，所有的Java对象是天生的Monitor，每一个Java对象都有成为Monitor的潜质，因为在Java的设计中 ，每一个Java对象被创建初就带了一把看不见的锁，它叫做内部锁或者Monitor锁。也就是通常说Synchronized的对象锁，MarkWord锁标识位为10，其中指针指向的是Monitor对象的起始地址。在Java虚拟机（HotSpot）中，Monitor是由ObjectMonitor实现的，其主要数据结构如下（位于HotSpot虚拟机源码ObjectMonitor.hpp文件，C++实现的）：

ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;
    _count        = 0; // 记录个数
    _waiters      = 0,
    _recursions   = 0;
    _object       = NULL;
    _owner        = NULL;
    _WaitSet      = NULL; // 处于wait状态的线程，会被加入到_WaitSet
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ;
    FreeNext      = NULL ;
    _EntryList    = NULL ; // 处于等待锁block状态的线程，会被加入到该列表
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
  }

ObjectMonitor中有两个队列，_WaitSet 和 _EntryList，用来保存ObjectWaiter对象列表（ 每个等待锁的线程都会被封装成ObjectWaiter对象 ），_owner指向持有ObjectMonitor对象的线程，当多个线程同时访问一段同步代码时：
1.首先会进入 _EntryList 集合，当线程获取到对象的monitor后，进入 _Owner区域并把monitor中的owner变量设置为当前线程，同时monitor中的计数器count加1；
2.若线程调用 wait() 方法，将释放当前持有的monitor，owner变量恢复为null，count自减1，同时该线程进入 WaitSet集合中等待被唤醒；
3.若当前线程执行完毕，也将释放monitor（锁）并复位count的值，以便其他线程进入获取monitor(锁)；

4.Java模拟PV原语

4.1信号量

count，如果是正值则表示当前资源的个数，如果是0，表示有一个进程在执行临界区的代码（也就是说这个进程位于临界区）；并且没有进程处于阻塞队列中。如果是负值，这个值的绝对值（abs(count)）表示阻塞队列中进程的个数。
queue，即为阻塞进程队列。当进程不能申请相应的资源是，则使用P操作，将自己插入阻塞队列中。当运行的进程执行完临界区代码时，就执行V操作，唤醒一个阻塞队列中的进程。

4.2功能实现

定义一个PV操作类：syn。在这个类中通过构造函数设置count的值。这个类中并没有阻塞进程所在的queue，是通过java的this.wait()与this.notifyAll()来实现的。

public class syn { //PV操作类
        int count=0;//信号量
        syn(){}
        syn(int a){count=a;}
        public synchronized void Wait(){ //关键字 synchronized 保证了此操作是一条【原语】
            count--;
            if(count<0){//等于0 ：有一个进程进入了临界区
                try {         //小于0：abs(count)=阻塞的进程数目
                    this.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
        public synchronized void Signal(){   //关键字 synchronized 保证了此操作是一条【原语】
            count++;
            if(count<=0){//如果有进程阻塞
                this.notify();
            }
        }
}

由此可以简单实现jvm中synchronized关键字的基本操作