Java并发编程之（二）管程

本博客转载自《奔跑的猪的博客》
本文中的代码可以在github上找到，有需要的请自行下载

标题

定义

维基百科中定义管程为：在并发编程中，管程（monitor）为一个同步结构，具有线程互斥特性，以及能够根据某些条件来阻塞线程。根据定义，管程有三个要素：同步、互斥、条件。恰好在Java的Concurrent包中ReentrantLock具有上述所有特性，可以用来实现管程。管程是一个非常实用且常见的技术，可以用来实现很多常用的并发数据结构，例如阻塞队列。

阻塞队列

队列常用于生产者消费者模型，生产者发送消息并存储到队列，消费者从队列中取出消息。一般情况下会存在多个生产者和多个消费者，普通的队列不能保证并发的安全，因此需要用到线程安全的技术。线程安全的队列又可以分为两种：

• 阻塞队列（BlockingQueue）
• 非阻塞队列（NoBlockingQueue）

阻塞队列的特征为，当队列为空时会阻塞消费者，当队列满时阻塞生产者。这种机制能够平衡生产者和消费者的负载。

分析上述定义，阻塞队列具有线程安全，阻塞，条件的特性；线程安全和阻塞就意味着要实现同步以及互斥，因此，管程能够很好地满足阻塞队列的要求。

Java源码中的管程

如下代码所示是Concurrent包中ArrayBlockingQueue的实现，队列有两种实现方式，数组和链表。Array是数组的实现，而数组通常是有界的。

ArrayBlockingQueue结构将ReentrantLock（可重入锁）作为全局锁来实现线程安全，所谓全局锁就是整个数据结构中就这么一个锁，当一个线程在访问该对象并获得锁之后，其他线程要访问该对象都得阻塞。在后续的学习中，我们会发现全局锁有一定的弊端，因为他锁住了整个对象，使得整体的并发性不高。源代码中的newCondition（）操作会生成一个条件对象，条件对象具有唤醒线程和挂起线程的能力，具体的操作如第二段代码所示。

public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
    if (capacity <= 0)
       throw new IllegalArgumentException();
    this.items = new Object[capacity];
    lock = new ReentrantLock(fair);
    notEmpty = lock.newCondition();
    notFull =  lock.newCondition();
}

第二段代码是ArrayBlockingQueue的put操作，put操作的第一步就是获得全局锁，然后判断队列当前元素是否已满，如果队列慢就会使用notFull条件变量将线程挂起，否则就会调用enqueue函数进行入队操作。入队操作同时会使用notEmpty条件变量来唤醒一个被notEmpty阻塞的的线程（take操作会调用notEmpty来阻塞线程）。

public void put(E e) throws InterruptedException {
        checkNotNull(e);
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count == items.length)
                notFull.await();//挂起线程，当其他线程调用notFull.signal()或者notFull.signlAll()时，该线程唤醒。
            enqueue(e);
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
private void enqueue(E x) {
        // assert lock.getHoldCount() == 1;
        // assert items[putIndex] == null;
        final Object[] items = this.items;
        items[putIndex] = x;
        if (++putIndex == items.length)
            putIndex = 0;
        count++;
        notEmpty.signal();//唤醒一个被notEmpty阻塞的线程，因为此时队列已经非空了
    }

实例

下面我为了熟悉管程的使用，会亲自造轮子体会一下。

package Monitors;

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class BlockingQueue {
    private ReentrantLock lock;//全局锁
    private Condition notFull;//条件变量，用来监控队列是否已满
    private Condition notEmpty;//条件变量，用来监控队列是否为空
    private final int capacity;//容量，这是一个定容的队列
    private int head;//队列头部哨兵
    private int tail;//队列尾部哨兵
    private int count;//当然元素个数
    private E[] data;//保存元素的数组
        /*
        初始化阻塞队列
        */
    public BlockingQueue(int c){
        this.lock=new ReentrantLock();
        this.notEmpty=lock.newCondition();
        this.notFull=lock.newCondition();
        this.capacity=c;
        this.count=0;
        this.head=0;
        this.tail=0;
        data=(E[])new Object[c+1];
    }
        /*
         向队列中添加一个元素
         */
    public void put(E e){
        lock.lock();
        try{
            while(this.count==this.capacity)//判断队列是否已满
                notFull.await();//挂起线程
            tail++;
            count++;
            if(tail==this.capacity+1)tail=0;
            data[tail]=e;//插入元素
            notEmpty.signal();//通知其他线程，队列不为空
        } catch (InterruptedException e1) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e1.printStackTrace();
        }finally{
            lock.unlock();
        }
    }
        /*
         获取队列容量
         */
    public int getCap(){
        return this.capacity;
    }
        /*
         判读队列是否为空
         */
    public boolean isEmpty(){
        lock.lock();
        try{
            return count==0?true:false;
        }finally{
            lock.unlock();
        }
    }
        /*
         判断队列是否已满
          */
    public boolean isFull(){
        lock.lock();
        try{
            return count==capacity?true:false;
        }finally{
            lock.unlock();
        }
    }
        /*
         从队列中取出一个元素
         */
    public E take() throws InterruptedException{
        lock.lock();
        try{
            while(this.count==0)//判断队列是否为空
                notEmpty.await();//阻塞队列
            head++;
            count--;
            if(head==this.capacity+1)head=0;
            E x=data[head];//获得头部元素
            notFull.signal();//通知其他线程，队列未满
            return x;
        }finally{
            lock.unlock();
        }
    }
}

在上锁所有操作中，几乎每个操作都在如下的结构体中进行，为了防止代码异常退出而导致锁没有被释放，必须使用finally关键字确保锁的释放。该代码块的作用和synchronized同步块作用类似，在进入同步块之前都要先获得锁，然后进行同步操作；在退出同步块的时候都要释放锁并再次同步。

lock.lock();
try{
    return count==capacity?true:false;
}finally{
    lock.unlock();
}

参考文献

下面两本书我极力推荐，它们对并发编程解释得非常全面。

[1] Brian Goetz等著 童云兰译..机械工业出版社
[2][Maurice Herlihy, Nir Shavit著,<多处理器编程的艺术]