面试官 synchronized 连环问，学会 Monitor 之后轻松拿下

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 经常被人们称为监视器锁和管程。

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​

对象内存结构.drawio.png

对象内存结构.drawio.png

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数组对象内存组成

数组对象内存结构.drawio.png

数组对象内存结构.drawio.png

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！

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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

Java对象头MarkWord初始情况.drawio.png

Java 对象头 MarkWord 初始情况.drawio.png

偏向锁 Java 对象头的 Mark Word 存储结构如下

Java对象头MarkWord整体情况-32位偏向锁.drawio.png

Java 对象头 MarkWord 整体情况-32 位偏向锁.drawio.png

轻量级锁 Java 对象头的 Mark Word 存储结构如下

Java对象头MarkWord轻量级锁情况.drawio.png

Java 对象头 MarkWord 轻量级锁情况.drawio.png

重量级锁 Java 对象头的 Mark Word 存储结构如下

Java对象头MarkWord重量级锁情况.drawio.png

Java 对象头 MarkWord 重量级锁情况.drawio.png

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

monitor初始状态.drawio.png

monitor 初始状态.drawio.png

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。

monitor+blocked.drawio.png

monitor+blocked.drawio.png

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。

monitor+waiting.drawio.png

monitor+waiting.drawio.png

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）

image.png

在 Toolbar 中点击 View 选择 Show Bytecode With Jclasslib

image.png

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。

image.png

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_110 iadd11 putstatic #3 <com/lzb/concurrency/demo2/MonitorDemo.count : I>14 aload_115 monitorexit16 goto 24 (+8)19 astore_220 aload_121 monitorexit22 aload_223 athrow24 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_110 iadd11 putstatic #3 <com/lzb/concurrency/demo2/MonitorDemo.count : I>14 aload_115 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：

image.png

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_220 aload_121 monitorexit22 aload_223 athrow24 return