併發王者課-青銅07：順藤摸瓜-如何從synchronized中的鎖認

歡迎來到《併發王者課》，本文是該系列文章中的第5篇。

在前面的文章中，我們已經體驗過synchronized的用法，並對鎖的概念和原理做了簡單的介紹。然而，你可能已經察覺到，有一個概念似乎總是和synchronized、鎖這兩個概念如影相隨，很多人也比較喜歡問它們之間的區別，這個概念就是Monitor，也叫監視器。

所以，在講解完synchronized、鎖之後，文字將為你講解Monitor，揭示它們之間那些公開的秘密，希望你不再迷惑。

首先，你要明白的是，Monitor作為一種同步機制，它並非Java所特有，但Java實現了這一機制。

為了具象地理解Monitor這一抽象概念，我們先來分析身邊的一個常見場景。

一、從醫院排隊就診機制理解Monitor

相信你一定有過去醫院就診的經歷。我們去醫院時，情況一般是這樣的：

• 首先，我們在門診大廳前臺或自助掛號機進行掛號；
• 隨後，掛號結束後我們找到對應的診室就診：
  • 診室每次只能有一個患者就診；
  • 如果此時診室空閒，直接進入就診；
  • 如果此時診室內有患者正在就診，那麼我們進入候診室，等待叫號；
• 就診結束後，走出就診室，候診室的下一位候診患者進入就診室。

這個就診過程你一定耳熟能詳，理解起來必然毫不費力氣。我們做了一張圖展示圖下：

仔細看這幅圖中的就診過程，如果你理解了這個過程，你就理解了Monitor. 這麼簡單嗎？不要懷疑自己，是的。你竟然早已理解Monitor機制！

不要小看這個機制，它可是生活中的智慧體現。在這個就診機制中，它起到了兩個關鍵性的作用：

• 互斥（mutual exclusion ）：每次只允許一個患者進入候診室就診；
• 協作（cooperation）：就診室中的患者就診結束後，可以通知候診區的下一位患者。

明白了嗎？你在醫院就診的過程竟然和Monitor的機制幾乎一模一樣。我們換個方式來描述Monitor在電腦科學中的作用：

• 互斥（mutual exclusion ）：每次只允許一個執行緒進入臨界區；
• 協作（cooperation）：當臨界區的執行緒執行結束後滿足特定條件時，可以通知其他的等待執行緒進入。

而就診過程中的門診大廳、就診室、候診室則恰好對應著Monitor中的三個關鍵概念。其中：

• 門診大廳：所有待進入的執行緒都必須先在**入口（Entry Set）**掛號才有資格；
• 就診室：一個每次只能有一個執行緒進入的特殊房間（Special Room）；
• 候診室：就診室繁忙時，進入等待區（Wait Set）；

我們把上面的圖稍作調整，就可以看到Monitor在Java中的模樣：

對比來看，相信你已經很直觀地理解Monitor機制。再一回味，你會發現synchronized正是對Monitor機制的一種實現。而在Java中，每一個物件都會關聯一個監視器。

二、從synchronized原始碼感受Monitor

既然synchronized是對Monitor機制的一種實現，為了讓你更有體感，我們可以寫一段極簡程式碼一探究竟。

這段程式碼極為簡單，但是夠用，我們在程式碼中使用了synchronized關鍵字：

public class SyncMonitorDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Object o = new Object();
        synchronized (o) {
            System.out.println("locking...");
        }
    }
}

程式碼寫好後，分別執行javac SyncMonitorDemo.java和 javap -v SyncMonitorDemo.class，隨後你就能得到下面這樣的位元組碼：

Classfile SyncMonitorDemo.class
  Last modified May 26, 2021; size 684 bytes
  MD5 checksum e366920f22845e98c45f26531596d6cf
  Compiled from "SyncMonitorDemo.java"
public class cn.tao.king.juc.execises1.SyncMonitorDemo
  minor version: 0
  major version: 49
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #2.#22         // java/lang/Object."":()V
   #2 = Class              #23            // java/lang/Object
   #3 = Fieldref           #24.#25        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #4 = String             #26            // locking...
   #5 = Methodref          #27.#28        // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
   #6 = Class              #29            // cn/tao/king/juc/execises1/SyncMonitorDemo
   #7 = Utf8               
   #8 = Utf8               ()V
   #9 = Utf8               Code
  #10 = Utf8               LineNumberTable
  #11 = Utf8               LocalVariableTable
  #12 = Utf8               this
  #13 = Utf8               Lcn/tao/king/juc/execises1/SyncMonitorDemo;
  #14 = Utf8               main
  #15 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #16 = Utf8               args
  #17 = Utf8               [Ljava/lang/String;
  #18 = Utf8               o
  #19 = Utf8               Ljava/lang/Object;
  #20 = Utf8               SourceFile
  #21 = Utf8               SyncMonitorDemo.java
  #22 = NameAndType        #7:#8          // "":()V
  #23 = Utf8               java/lang/Object
  #24 = Class              #30            // java/lang/System
  #25 = NameAndType        #31:#32        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #26 = Utf8               locking...
  #27 = Class              #33            // java/io/PrintStream
  #28 = NameAndType        #34:#35        // println:(Ljava/lang/String;)V
  #29 = Utf8               cn/tao/king/juc/execises1/SyncMonitorDemo
  #30 = Utf8               java/lang/System
  #31 = Utf8               out
  #32 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #33 = Utf8               java/io/PrintStream
  #34 = Utf8               println
  #35 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
{
  public cn.tao.king.juc.execises1.SyncMonitorDemo();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 3: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lcn/tao/king/juc/execises1/SyncMonitorDemo;

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=4, args_size=1
         0: new           #2                  // class java/lang/Object
         3: dup
         4: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."":()V
         7: astore_1
         8: aload_1
         9: dup
        10: astore_2
        11: monitorenter
        12: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        15: ldc           #4                  // String locking...
        17: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
        20: aload_2
        21: monitorexit
        22: goto          30
        25: astore_3
        26: aload_2
        27: monitorexit
        28: aload_3
        29: athrow
        30: return
      Exception table:
         from    to  target type
            12    22    25   any
            25    28    25   any
      LineNumberTable:
        line 5: 0
        line 6: 8
        line 7: 12
        line 8: 20
        line 9: 30
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      31     0  args   [Ljava/lang/String;
            8      23     1     o   Ljava/lang/Object;
}
SourceFile: "SyncMonitorDemo.java"

javap是JDK自帶的一個反彙編命令。你可以忽略其他不必要的資訊，直接在結果中找到下面這段程式碼：

11: monitorenter
12: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
15: ldc           #4                  // String locking...
17: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
20: aload_2
21: monitorexit

看到monitorenter和monitorexit指令，相信智慧的你已經看穿一切。

以上就是文字的全部內容，恭喜你又上了一顆星✨

夫子的試煉

• 寫一段包含synchronized關鍵字的程式碼，使用javap命令觀察結果。