Java中的管程模型

操作系统使用信号量解决并发问题，Java选择使用管程（Monitor）解决并发问题。信号量和管程是等价的，可以使用信号量实现管程，也可以使用管程实现信号量。

管程就是指管理共享变量，以及对共享变量的相关操作。具体到 Java 语言中，管程就是管理类的成员变量和方法，让这个类是线程安全的。管程的发展史中，先后出现过三种管程模型，Hasen 模型、Hoare 模型和 MESA 模型，Java 使用的是 MESA 模型。

我们用管程模型主要是解决并发编程中的两个核心问题，互斥和同步。互斥是指同一时刻只允许一个线程访问共享资源，同步则是指线程之间如何通信、写作。

那么，Java 所采用的 MESA 模型是如何解决互斥和同步问题的呢？

MESA 解决互斥问题

管程模型解决互斥问题的方法是：将共享变量及对共享变量的操作统一封装起来。

如下图所示，管程 X 将共享变量 queue，及其入队出队操作 enq() 和 dep() 封装起来。线程 A 和线程 B 想要访问共享变量 queue，就需要通过 enq() 和 deq() 来实现，而 enq() 和 deq() 保证互斥，只允许一个线程进入管程。

MESA 解决同步问题

MESA 模型解决同步问题可以类比去医院就医。患者首先需要排队等待医生叫好，医生诊断被叫到号的患者。期间，患者如果需要进行其他辅助的检查，比如说排个 X 光，就需要去等待拍 X 光的医生叫好。患者拍完 X 光之后，再次回到上一个医生那里，等待医生再次诊断。

管程模型与看医生的流程类似，管程入口处有一个等待队列。当多个线程试图进入管程内部的时候，只允许一个线程进入，其他线程在等待队列中等待。就和看医生的时候排队一样。

管程中还有一个条件变量的概念，每个条件变量对应一个条件变量等待队列。比如说有一个条件变量 A，当执行线程 T1 时发现不满足条件变量 A，T1 就会进入条件变量 A 的等待队列中。就像去看医生，医生让你先去排个 X 光，就要去拍 X 光的地方排队。

当执行线程 T2 时发现满足条件变量 A，就会唤醒条件变量 A 等待中的线程 T1，线程 T1 就会再次进入到入口等待队列。就像拍完 X 光的人，再去看医生。

public class BlockedQueue{
  final Lock lock =
    new ReentrantLock();
  // 条件变量：队列不满  
  final Condition notFull =
    lock.newCondition();
  // 条件变量：队列不空  
  final Condition notEmpty =
    lock.newCondition();

  // 入队
  void enq(T x) {
    lock.lock();
    try {
      while (队列已满){
        // 等待队列不满 
        notFull.await();
      }  
      // 省略入队操作...
      //入队后,通知可出队
      notEmpty.signal();
    }finally {
      lock.unlock();
    }
  }
  // 出队
  void deq(){
    lock.lock();
    try {
      while (队列已空){
        // 等待队列不空
        notEmpty.await();
      }
      // 省略出队操作...
      //出队后，通知可入队
      notFull.signal();
    }finally {
      lock.unlock();
    }  
  }
}

1. 对于入队操作，如果队列已满，就需要等待直到队列不满，所以这里用了notFull.await();。
2. 对于出队操作，如果队列为空，就需要等待直到队列不空，所以就用了notEmpty.await();。
3. 如果入队成功，那么队列就不空了，就需要通知条件变量：队列不空notEmpty对应的等待队列。
4. 如果出队成功，那就队列就不满了，就需要通知条件变量：队列不满notFull对应的等待队列。

synchronized 单条件变量的管程模型

Java 参考了 MESA 模型，语言内置的管程（synchronized）对 MESA 模型进行了精简。MESA 模型中，条件变量可以有多个，Java 语言内置的管程里只有一个条件变量。

Java SDK 并发包实现的管程支持多个条件变量，不过并发包里的锁，需要开发人员自己进行加锁和解锁操作。

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