监视锁——Java同步的基本思想

翻译人员: 铁锚
翻译时间: 2013年11月13日
原文链接: Monitors – The Basic Idea of Java synchronization

如果你上过操作系统课程,你就知道监视锁(Monitor)是操作系统同步的一个重要概念,在Java中的同步机制也是基于同样的思想.
1. 什么是监视锁?
一个监视锁就如同一座大楼里面的一个特殊房间,这个特殊的房间同一时间只可以被一个客户(线程)所使用(就比如单人化妆间,不理解化妆间的可以搜索 更衣)，当然,这个"房间"里通常会有一些数据,以及适量的代码。

图1

如果一个客户想要占用这个特殊的化妆间,他必须先到大厅(Hallway,Entry Set)去排队, 服务员(调度程序)将会依据某种标准(比如,先来后到,FIFO)选出一个客户去使用.如果客户由于某种原因(如等待...)想暂停使用,将会被带到等候室,并在一定时间后的特定时间被再次调度.

图2

总的来说,锁是一种功能单元(facility),监控各个线程对特殊资源的访问,确保只有一个线程可以访问被保护的数据和代码。
2. Java如何实现监视锁?
在Java虚拟机中,理论上每个对象和类(class对象)都关联了一把锁.要实现互斥(mutual exclusion)锁功能, 每个锁(lock,有时称为mutex)关联到每个对象/类.在操作系统书籍中这叫做信号量(semaphore),互斥锁(mutex)是一个二进制信号量.
如果某个线程持有了一个锁的某些资源,那么其他所有线程都不能获得这个锁及相关的资源,除非这个线程放开对锁的使用权.但我们在进行多线程编程时,如果一直都是我们手工去控制这个信号量,那肯定是非常麻烦和不安全的,幸好JVM自动帮我们处理了这种麻烦。
要锁住某个范围的代码和数据,意味着这些数据不能同时被多个线程访问,Java支持 synchronized 语句 和 synchronized 方法.一旦某部分代码被 synchronized 包装,那么这段范围就是锁定的范围。锁(lock)由JVM在后台自动实现.
3. 在Java同步代码中,锁住的是哪部分?
我们知道每个对象/类都关联着一把锁. 我觉得每个对象都是一把锁是个很恰当的说法,因为每个对象都有自己的关键部分,并可以监控线程顺序.
要让不同的线程进行协作,Java 提供了wait()方法来暂停线程自身,Object提供notify()方法来唤醒等待此对象(通知)的另一个线程.共有以下3个方法:

wait(long timeout, int nanos)
wait(long timeout) //被另一个线程唤醒,或者超时自动唤醒.
notify(all)

这3个方法只能在同步代码块或者同步方法内部调用。原因是如果一个方法不需要互斥,就没必要锁定或线程间协作,每个线程都可以自由地调用此方法。

同步代码示例: Java Thread: notify() and wait() examples

4. 对synchronized关键字的理解

synchronized 是Java1.5以前使用的完全锁。 锁定的是一个资源，可以认为是一个对象，由应用程序开发者自己决定有哪些操作需要对某些操作进行线程间的同步(实质就是排队)。
如果是静态方法上加锁,则由JVM转换为对Class对象(这个资源)加锁。 加锁后其实有一把钥匙，由多个线程排队使用(如果有多个线程同时使用的话)。
如果是实例方法，那么就是对this对象加锁，此时，如果有 Object a,Object b,如果 a!=b,则各自的方法引用的锁并不是同一个。
如果是代码块级别的锁,其实本质是一样的,也可以锁定this,这就和实例方法上的差不多是一样了。
加锁的目的,是因为有时候需要在多个线程之间共享一些对象/或值,但是又要保证一定的业务逻辑和规则,为了保证这些操作的正确性而进行的。

参考文档:
1. Java Doc for Object
2. Thread synchronization
3. Locks and Synchronization
4. notify() vs notifyAll()

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