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JVM监视器锁是什么

1. 监视器锁的核心组成部分

每个 Java 对象在 JVM 层面都与一个监视器（Monitor）相关联。这个监视器主要由以下三个部分组成：

  1. 一个特殊的所有者（Owner）字段: 这个字段用于记录当前哪个线程持有了该监视器锁。在任意时刻，这个字段最多只能指向一个线程，或者为 null（表示锁未被任何线程持有）。
  2. 一个入口集（Entry Set）: 这是一个等待队列，用于存放所有尝试获取但尚未获得该监视器锁的阻塞线程。当一个线程试图进入一个已被占用的 synchronized 代码块时，它就会被放入这个入口集中等待。
  3. 一个等待集（Wait Set）: 这是另一个等待队列，用于存放调用了该对象 wait() 方法的线程。这些线程是主动释放了监视器锁并进入等待状态，等待被其他线程通过 notify() 或 notifyAll() 唤醒。

2. 监视器锁的工作流程

当一个线程遇到 synchronized 关键字时，其工作流程如下：

  1. 尝试获取锁:

    • 线程会尝试获取与该对象关联的监视器锁。
    • 它会检查监视器的 Owner 字段是否为 null。
    • 如果为 null，表示锁是空闲的，该线程将成功获取锁，并将监视器的 Owner 字段设置为自己。然后，它可以进入 synchronized 代码块执行。

  2. 获取锁失败（锁已被占用）:

    • 如果线程发现监视器的 Owner 字段指向的是另一个线程，表示锁已被占用。
    • 此时，该线程的执行会受阻，它将被放入该监视器的入口集（Entry Set）中，并进入阻塞状态（BLOCKED）。

  3. 释放锁:

    • 当持有锁的线程执行完毕 synchronized 代码块或方法后（无论是正常退出还是因异常退出），它会自动释放这个监视器锁。
    • 释放锁的操作包括将监视器的 Owner 字段重新设置为 null。

  4. 唤醒等待的线程:

    • 锁被释放后，JVM 会从该监视器的入口集（Entry Set）中唤醒一个或多个等待的线程（具体唤醒哪个线程是不确定的，取决于 JVM 的调度策略）。
    • 被唤醒的线程会再次尝试获取锁，这个过程会产生竞争，最终只有一个线程能成功获取锁并继续执行。

3. 监视器锁与 wait() / notify() / notifyAll() 的交互

监视器锁不仅实现了互斥（Mutual Exclusion），还支持线程间的协作，这就要依靠 wait()、notify() 和 notifyAll() 这三个方法。

  • wait():

    1. 一个线程必须首先持有对象的监视器锁，才能调用该对象的 wait() 方法。
    2. 调用 wait() 后，该线程会立即释放它持有的监视器锁。
    3. 然后，该线程会被放入该监视器的等待集（Wait Set）中，并进入等待状态（WAITING 或 TIMED_WAITING）。
    4. 它会一直在此等待，直到被其他线程唤醒。

  • notify() / notifyAll():

    1. 一个线程也必须首先持有对象的监视器锁，才能调用该对象的 notify() 或 notifyAll() 方法。
    2. notify() 会从等待集（Wait Set）中随机选择一个线程，并将其唤醒。被唤醒的线程会被移动到入口集（Entry Set）中，准备重新竞争锁。
    3. notifyAll() 则会唤醒等待集（Wait Set）中所有的线程，并将它们全部移动到入口集（Entry Set）中，让它们一起去竞争锁。
    4. 非常重要的一点：调用 notify() 或 notifyAll() 的线程并不会立即释放锁。它必须等到自己执行完 synchronized 代码块后，才会释放锁。这时，那些被唤醒并移动到入口集的线程才有机会去获取锁。