Java并发编程（十一）：monitor中entry set和wait set协作解析

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1 monitor概念

1.1 定义与作用

在Java中，monitor是一种同步机制，用于控制多个线程对共享资源的访问。它就像是一个保护罩，确保在同一时刻只有一个线程能够访问被保护的代码块。当一个线程进入被保护的代码块时，它会获取monitor的锁，其他线程如果也想进入这个代码块，就必须等待这个锁被释放。

1.2 内部结构关联

monitor和对象在Java内存模型中有紧密的联系。每个Java对象都有一个monitor与之关联，从字节码层面看，当使用synchronized关键字修饰方法或代码块时，JVM会为对应的对象关联一个monitor。

2 entry set

2.1 定义与作用

entry set是monitor内部的一个集合，用于存放那些尝试获取monitor锁但尚未成功的线程。这些线程处于阻塞状态（blocked），等待锁被当前持有释放。

2.2 工作流程

当一个线程执行到被synchronized修饰的代码块或方法时，如果锁已经被其他线程持有，这个线程就会被放入entry set。例如，有T1、T2、T3三个线程都尝试访问同一个被synchronized保护的方法。如果T1先获取了锁，那么T2和T3就会被放入entry set。当T1执行完方法释放锁后，JVM会从entry set中选择一个线程来获取锁并执行方法。

2.3 与monitor关系

entry set是monitor的一部分，它是monitor控制线程访问顺序的关键组件之一。monitor通过管理entry set，确保只有一个线程在合适的时候获取锁并访问共享资源。

3 wait set

3.1 定义与作用

wait set也是monitor内部的一个集合，主要用于存放那些调用了对象的wait()方法的线程。当一个线程代用wait()方法时，它会释放当前持有的monitor锁，并进去wait set等待，直到其他线程调用该对象的notify()或者notifyAll()方法。这种机制常用于线程间的协作，例如生产者-消费者模式中，消费者线程在队列为空时可以带调用wait()方法等待，生产者线程生产了新的内容后调用notify()或者notifyAll()方法通知等待的消费者线程。

3.2 工作流程

假设在一个多线程程序中，有一个共享的对列Queue对象，消费者线程在获取到Queue对象的锁后，发现队列为空。此时消费者线程可以调用Queue对象的wait()方法，这会导致它释放Queue对象的锁并进入Queue对应的wait set。当生产者线程向队列中添加元素后，它可以调用Queue对象的notify()或者notifyAll()方法。JVM会从Queue对象的wait set中唤醒一个或所有等待的线程，这些被唤醒的线程会重新尝试获取Queue对象的锁，获取成功后可以从队列中获取元素进行消费。

3.3 与monitor的关系

wait set也是monitor的重要组成部分。它和entry set不同，entry set中的线程是等待获取锁的线程，而wait set中的线程是已经获取过锁，然后主动释放锁并等待特定条件满足后再次获取锁的线程。monitor通过协调wait set和entry set中的线程，实现了复杂的线程同步和协作机制。

4 三者关系图

+--------------------------- Monitor ---------------------------+
|                                                             |
|  Entry Set               Owner               Wait Set      |
|  +---------+             +------+            +---------+    |
|  | Thread2 |             |Thread1|           | Thread4 |    |
|  | Thread3 |             |      |           | Thread5 |    |
|  +---------+             +------+           +---------+    |
|                                                            |
+------------------------------------------------------------+

4.1 整体流程如下：

a) Entry Set：
当线程请求执行synchronized代码时，首先进入Entry Set；
如果monitor没有所有者，某个线程会获得锁并成为owner；
其他线程在Entry Set中等待；
b) Monitor Owner：
同一时刻只能有一个线程成为monitor的owner；
owner线程可以重复进入同步代码块（可重入性）；
c) Wait Set（等待池）：
当owner线程调用wait()时，进入Wait Set；
释放monitor所有权；
等待其他线程调用notify()/notifyAll()；

线程在进入entry set、成为owner、进入wait set时所涉及到的状态转换如下：

1. 进入Entry Set:
   RUNNABLE -> BLOCKED

2. 获得锁成为Owner:
   BLOCKED -> RUNNABLE

3. 进入Wait Set:
   RUNNABLE -> WAITING

4. 被唤醒重新进入Entry Set:
   WAITING -> BLOCKED

5 总结

本文介绍了 Java 中的 monitor 概念，包括其定义、与对象关联等。还阐述了 entry set、wait set 的作用、工作流程及与 monitor 的关系，最后给出三者关系图及线程状态转换情况，整体呈现了 Java 线程同步协作机制。
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