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管程:并发编程的万能钥匙
前言

管程,对应的英文是 Monitor,也称监视器。

所谓管程,指的是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。翻译为 Java 领域的语言,就是管理类的成员变量和成员方法,让这个类是线程安全的。那么管程是如何管的呢?

MESA 模型

在管程的发展史上,先后出现过三种不同的管程模型,分别是:Hasen 模型、Hoare 模型和 MESA 模型。其中,现在广泛应用的是 MESA 模型,并且 Java 管程的实现参考的也是 MESA 模型。

在并发编程领域,有两大核心问题:一个是互斥,即同一时刻只允许一个线程访问共享资源;另一个是同步,即线程之间如何通信、协作。这两大问题,管程都是能够解决的。

管程解决互斥问题的思路很简单,就是将共享变量及其对共享变量的操作统一封装起来。在下图中,管程 X 把对共享变量的操作封装了起来,也就保证了只有一个线程能够进入管程。这也是和 OOP 思想高度契合的。

管程_互斥

那管程是如何解决线程间同步的问题呢?

下面给出一个管程模型示意图,它详细描述了 MESA 模型主要组成部分。

在管程模型里,共享变量和对共享变量的操作是被封装起来的,图中最外层的框就代表封装的意思。框的上面只有一个入口,并且在入口旁边还有一个入口等待队列。当多个线程同时试图进入管程内部时,只允许一个线程进入,其他线程则在入口等待队列中等待。

管程里还引入了条件变量的概念,而且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的作用就是解决线程同步的问题。

以上面入对出队的例子讲解:

假设有个线程 T1 执行出队操作,如果当前队列为空,此时线程 T1 就需要在 "队列不空" 这个条件变量的等待队列中等待,即执行 A.wait() 来实现。

如果又有另外一个线程 T2 执行入队操作,入队操作执行成功之后,"队列不空" 这个条件对于线程 T1 来说就已经满足了,此时线程 T2 要通知 T1,告诉它需要的条件已经满足了,即执行 A.notify() 来通知 A 等待队列中的一个线程。当线程 T1 得到通知后,会从等待队列里面出来,但是出来之后不是马上执行,而是重新进入到入口队列等待队列里面。至于 notifyAll 方法,则是通知等待队列中所有的线程。

wait() 的正确姿势

对于 MESA 模型来说,有一个编程范式,就是需要在一个 while 循环里面调用 wait()。这个是 MESA 管程特有的。

while(条件不满足){
  wait();
}

Hasen 模型、Hoare 模型和 MESA 模型的一个核心区别就是当条件满足后,如何通知相关线程。管程要求同一时刻只允许一个线程执行,那当线程 T2 的操作使得线程 T1 等待的条件满足时,T1 和 T2 究竟谁可以执行呢?

  1. Hasen 模型里面,要求 notify() 方法代码最后,这样 T2 通知完 T1 后,T2 就结束了,然后 T1 再执行,这样1同一时刻只有一个线程执行。
  2. Hoare 模型里面,T2 通知完 T1 后,T2 阻塞,T1 马上执行;等 T1 执行完,在唤醒 T2,也能保证同一时刻只有一个线程执行。但是相比 Hasen 模型,T2 多了一次阻塞唤醒操作。
  3. MESA 模型里面,T2 通知完 T1 后,T2 还是会接着执行,T1 并不立即执行,仅仅是从条件变量的等待队列进入入口等待队列里面。这样做的好处是 notify() 不用放到代码的最后,T2 也没有多余的阻塞唤醒操作。但是也有个副作用,就是当 T1 再次执行的时候,可能曾经满足的条件,现在已经不满足了,所以需要以循环的方式检验条件变量。
notify() 何时可以使用

除非经过深思熟虑,否则尽量使用 noyifyAll()。那么什么时候使用 notify 呢?需要满足以下三个条件:

  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. 只需要唤醒一个线程
总结

Java 参考了 MESA 模型,语言内置的管程(synchronized)对 MESA 模型进行精简。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,具体如下:

Java 内置的管程方案(synchronized)使用简单,synchronized 关键字修饰的代码块,在编译期会自动生成相关加锁和解锁的代码,但是仅支持一个条件变量;而 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。

摘自:

管程:并发编程的万能钥匙