8、并发编程万能钥匙 — 管程

一、什么是管程（Monitor）

管程：指管理共享变量以及对共享变量的操作过程，让它们支持并发。

信号量：操作系统提供的一种协调共享资源的访问方法，地位高于进程。

管程和信号量是等价的，即管程能够实现信号量，信号量也能够实现管程。java 采用的是管程技术，synchronized 关键字及wait()、notify()、notifyAll() 三个方法都是管程的组成部分。

管程模型包括：MESA 模型、Hasen 模型、Hoare 模型。MESA 模型才用更加广泛。

并发编程的两大核心问题：互斥与同步，互斥即同一时刻只允许有一个线程能够访问共享资源；异步即两个线程之间如何通信、协作。两个问题管程都能解决。

二、管程模型

管程模型

管程解决互斥：将共享变量及对共享变量的操作都统一封装起来。如果想要访问共享变量则只能通过管程封装的对共享变量的操作方法执行。

管程解决同步：

医院就医模型

MESA 管程模型

管程中引入了条件变量的概念：每个条件变量都对应有一个等待队列。条件变量和等待队列就是解决线程同步的问题。

假设有个线程 T1 执行出队（jdk 里面的阻塞队列，里面存的是共享数据）操作，不过需要注意的是执行出队操作，有个前提条件，就是队列不能是空的，而队列不空这个前提条件就是管程里的条件变量。

如果线程 T1 进入管程后恰好发现队列（没有共享数据可操作）是空的，那怎么办呢？等待啊，去哪里等呢？就去条件变量对应的等待队列里面等（等待阻塞队列里面有共享数据）。

此时线程 T1 就去“队列不空”这个条件变量的等待队列中等待。这个过程类似于大夫发现你要去验个血，于是给你开了个验血的单子，你呢就去验血的队伍里排队（阻塞队列里面等待，等待时间操作共享变量）。

线程 T1 进入条件变量的等待队列后，是允许其他线程进入管程的。这和你去验血的时候，医生可以给其他患者诊治，道理都是一样的。

解释：刚开始一直在想线程T1执行出队是什么意思？到底是哪个队列，是入口等待队列，还是条件等待队列，后来理解了都不是。这个队列应该理解为JDK里面的阻塞队列，里面存在的是共享数据，线程T1,T2分别去操作里面的共享数据，执行数据的入队，出队操作，当然这些操作是阻塞操作。当线程T1对阻塞队列执行数据出队操作时，进入管程，发现阻塞队列为空，此时线程T1进入阻塞队列不为空这个条件的条件等待队列，此时，其他线程还是可以进入管程的，比如T2进来了，对阻塞队列执行数据插入操作，这时就会致使线程T1从条件等待队列出来，进入入口等待队列，准备再一次进入管程

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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();

    } 

  }

}

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await() 和前面我们提到的 wait() 语义是一样的；signal() 和前面我们提到的 notify() 语义是一样的。

三、notify ()的正确使用

尽量使用notify()，除非经过深思熟虑。

满足以下三个条件可以使用notify()：

1. 所有等待线程拥有相同的等待条件；

2. 所有等待线程被唤醒后，执行相同的操作；

3. 只需唤醒一个线程。

四、总结

java 参考了MESA 模型，但java 内置的管程变量只有一个条件变量。

java管程示意图

java 内置的管程方案（synchronized）在编译的时候自动生成相关的加锁和解锁代码，但仅支持一个条件变量。

java sdk 并发包工具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的操作。

并发编程的两大核心 —— 互斥和同步，都可以由管程来帮忙解决。