摘要：基本元素機(jī)制需要幾個(gè)元素來(lái)配合，分別是臨界區(qū)對(duì)象及鎖條件變量以及定義在對(duì)象上的，操作。這個(gè)外部條件在機(jī)制中稱為條件變量。提供的機(jī)制，其實(shí)是，等元素合作形成的，甚至說(shuō)外部的條件變量也是個(gè)組成部分。

管程，英文是 Monitor，也常被翻譯為“監(jiān)視器”，monitor 不管是翻譯為“管程”還是“監(jiān)視器”，都是比較晦澀的，通過(guò)翻譯后的中文，并無(wú)法對(duì) monitor 達(dá)到一個(gè)直觀的描述。
在《操作系統(tǒng)同步原語(yǔ)》 這篇文章中，介紹了操作系統(tǒng)在面對(duì) 進(jìn)程/線程 間同步的時(shí)候，所支持的一些同步原語(yǔ)，其中 semaphore 信號(hào)量 和 mutex 互斥量是最重要的同步原語(yǔ)。
在使用基本的 mutex 進(jìn)行并發(fā)控制時(shí)，需要程序員非常小心地控制 mutex 的 down 和 up 操作，否則很容易引起死鎖等問(wèn)題。為了更容易地編寫出正確的并發(fā)程序，所以在 mutex 和 semaphore 的基礎(chǔ)上，提出了更高層次的同步原語(yǔ) monitor，不過(guò)需要注意的是，操作系統(tǒng)本身并不支持 monitor 機(jī)制，實(shí)際上，monitor 是屬于編程語(yǔ)言的范疇，當(dāng)你想要使用 monitor 時(shí)，先了解一下語(yǔ)言本身是否支持 monitor 原語(yǔ)，例如 C 語(yǔ)言它就不支持 monitor，Java 語(yǔ)言支持 monitor。
一般的 monitor 實(shí)現(xiàn)模式是編程語(yǔ)言在語(yǔ)法上提供語(yǔ)法糖，而如何實(shí)現(xiàn) monitor 機(jī)制，則屬于編譯器的工作，Java 就是這么干的。

monitor 的重要特點(diǎn)是，同一個(gè)時(shí)刻，只有一個(gè) 進(jìn)程/線程 能進(jìn)入 monitor 中定義的臨界區(qū)，這使得 monitor 能夠達(dá)到互斥的效果。但僅僅有互斥的作用是不夠的，無(wú)法進(jìn)入 monitor 臨界區(qū)的 進(jìn)程/線程，它們應(yīng)該被阻塞，并且在必要的時(shí)候會(huì)被喚醒。顯然，monitor 作為一個(gè)同步工具，也應(yīng)該提供這樣的管理 進(jìn)程/線程 狀態(tài)的機(jī)制。想想我們?yōu)槭裁从X(jué)得 semaphore 和 mutex 在編程上容易出錯(cuò)，因?yàn)槲覀冃枰ビH自操作變量以及對(duì) 進(jìn)程/線程 進(jìn)行阻塞和喚醒。monitor 這個(gè)機(jī)制之所以被稱為“更高級(jí)的原語(yǔ)”，那么它就不可避免地需要對(duì)外屏蔽掉這些機(jī)制，并且在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)這些機(jī)制，使得使用 monitor 的人看到的是一個(gè)簡(jiǎn)潔易用的接口。

monitor 機(jī)制需要幾個(gè)元素來(lái)配合，分別是：

臨界區(qū)

monitor 對(duì)象及鎖

條件變量以及定義在 monitor 對(duì)象上的 wait，signal 操作。

使用 monitor 機(jī)制的目的主要是為了互斥進(jìn)入臨界區(qū)，為了做到能夠阻塞無(wú)法進(jìn)入臨界區(qū)的 進(jìn)程/線程，還需要一個(gè) monitor object 來(lái)協(xié)助，這個(gè) monitor object 內(nèi)部會(huì)有相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，例如列表，來(lái)保存被阻塞的線程；同時(shí)由于 monitor 機(jī)制本質(zhì)上是基于 mutex 這種基本原語(yǔ)的，所以 monitor object 還必須維護(hù)一個(gè)基于 mutex 的鎖。
此外，為了在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候能夠阻塞和喚醒 進(jìn)程/線程，還需要引入一個(gè)條件變量，這個(gè)條件變量用來(lái)決定什么時(shí)候是“適當(dāng)?shù)臅r(shí)候”，這個(gè)條件可以來(lái)自程序代碼的邏輯，也可以是在 monitor object 的內(nèi)部，總而言之，程序員對(duì)條件變量的定義有很大的自主性。不過(guò)，由于 monitor object 內(nèi)部采用了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)保存被阻塞的隊(duì)列，因此它也必須對(duì)外提供兩個(gè) API 來(lái)讓線程進(jìn)入阻塞狀態(tài)以及之后被喚醒，分別是 wait 和 notify。

monitor 是操作系統(tǒng)提出來(lái)的一種高級(jí)原語(yǔ)，但其具體的實(shí)現(xiàn)模式，不同的編程語(yǔ)言都有可能不一樣。以下以 Java 的 monitor 為例子，來(lái)講解 monitor 在 Java 中的實(shí)現(xiàn)方式。

在 Java 中，可以采用 synchronized 關(guān)鍵字來(lái)修飾實(shí)例方法、類方法以及代碼塊，如下所示：

/**
 * @author beanlam
 * @version 1.0
 * @date 2018/9/12
 */
public class Monitor {

    private Object ANOTHER_LOCK = new Object();

    private synchronized void fun1() {
    }

    public static synchronized void fun2() {
    }

    public void fun3() {
        synchronized (this) {
        }
    }

    public void fun4() {
        synchronized (ANOTHER_LOCK) {
        }
    }
}

被 synchronized 關(guān)鍵字修飾的方法、代碼塊，就是 monitor 機(jī)制的臨界區(qū)。

可以發(fā)現(xiàn)，上述的 synchronized 關(guān)鍵字在使用的時(shí)候，往往需要指定一個(gè)對(duì)象與之關(guān)聯(lián)，例如 synchronized(this)，或者 synchronized(ANOTHER_LOCK)，synchronized 如果修飾的是實(shí)例方法，那么其關(guān)聯(lián)的對(duì)象實(shí)際上是 this，如果修飾的是類方法，那么其關(guān)聯(lián)的對(duì)象是 this.class。總之，synchronzied 需要關(guān)聯(lián)一個(gè)對(duì)象，而這個(gè)對(duì)象就是 monitor object。
monitor 的機(jī)制中，monitor object 充當(dāng)著維護(hù) mutex以及定義 wait/signal API 來(lái)管理線程的阻塞和喚醒的角色。
Java 語(yǔ)言中的 java.lang.Object 類，便是滿足這個(gè)要求的對(duì)象，任何一個(gè) Java 對(duì)象都可以作為 monitor 機(jī)制的 monitor object。
Java 對(duì)象存儲(chǔ)在內(nèi)存中，分別分為三個(gè)部分，即對(duì)象頭、實(shí)例數(shù)據(jù)和對(duì)齊填充，而在其對(duì)象頭中，保存了鎖標(biāo)識(shí)；同時(shí)，java.lang.Object 類定義了 wait()，notify()，notifyAll() 方法，這些方法的具體實(shí)現(xiàn)，依賴于一個(gè)叫 ObjectMonitor 模式的實(shí)現(xiàn)，這是 JVM 內(nèi)部基于 C++ 實(shí)現(xiàn)的一套機(jī)制，基本原理如下所示：

當(dāng)一個(gè)線程需要獲取 Object 的鎖時(shí)，會(huì)被放入 EntrySet 中進(jìn)行等待，如果該線程獲取到了鎖，成為當(dāng)前鎖的 owner。如果根據(jù)程序邏輯，一個(gè)已經(jīng)獲得了鎖的線程缺少某些外部條件，而無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行下去（例如生產(chǎn)者發(fā)現(xiàn)隊(duì)列已滿或者消費(fèi)者發(fā)現(xiàn)隊(duì)列為空），那么該線程可以通過(guò)調(diào)用 wait 方法將鎖釋放，進(jìn)入 wait set 中阻塞進(jìn)行等待，其它線程在這個(gè)時(shí)候有機(jī)會(huì)獲得鎖，去干其它的事情，從而使得之前不成立的外部條件成立，這樣先前被阻塞的線程就可以重新進(jìn)入 EntrySet 去競(jìng)爭(zhēng)鎖。這個(gè)外部條件在 monitor 機(jī)制中稱為條件變量。

synchronized 關(guān)鍵字是 Java 在語(yǔ)法層面上，用來(lái)讓開(kāi)發(fā)者方便地進(jìn)行多線程同步的重要工具。要進(jìn)入一個(gè) synchronized 方法修飾的方法或者代碼塊，會(huì)先獲取與 synchronized 關(guān)鍵字綁定在一起的 Object 的對(duì)象鎖，這個(gè)鎖也限定了其它線程無(wú)法進(jìn)入與這個(gè)鎖相關(guān)的其它 synchronized 代碼區(qū)域。

網(wǎng)上很多文章以及資料，在分析 synchronized 的原理時(shí)，基本上都會(huì)說(shuō) synchronized 是基于 monitor 機(jī)制實(shí)現(xiàn)的，但很少有文章說(shuō)清楚，都是模糊帶過(guò)。
參照前面提到的 Monitor 的幾個(gè)基本元素，如果 synchronized 是基于 monitor 機(jī)制實(shí)現(xiàn)的，那么對(duì)應(yīng)的元素分別是什么？
它必須要有臨界區(qū)，這里的臨界區(qū)我們可以認(rèn)為是對(duì)對(duì)象頭 mutex 的 P 或者 V 操作，這是個(gè)臨界區(qū)
那 monitor object 對(duì)應(yīng)哪個(gè)呢？mutex？總之無(wú)法找到真正的 monitor object。
所以我認(rèn)為“synchronized 是基于 monitor 機(jī)制實(shí)現(xiàn)的”這樣的說(shuō)法是不正確的，是模棱兩可的。
Java 提供的 monitor 機(jī)制，其實(shí)是 Object，synchronized 等元素合作形成的，甚至說(shuō)外部的條件變量也是個(gè)組成部分。JVM 底層的 ObjectMonitor 只是用來(lái)輔助實(shí)現(xiàn) monitor 機(jī)制的一種常用模式，但大多數(shù)文章把 ObjectMonitor 直接當(dāng)成了 monitor 機(jī)制。
我覺(jué)得應(yīng)該這么理解：Java 對(duì) monitor 的支持，是以機(jī)制的粒度提供給開(kāi)發(fā)者使用的，也就是說(shuō)，開(kāi)發(fā)者要結(jié)合使用 synchronized 關(guān)鍵字，以及 Object 的 wait / notify 等元素，才能說(shuō)自己利用 monitor 的機(jī)制去解決了一個(gè)生產(chǎn)者消費(fèi)者的問(wèn)題。