管程(Moniter) 并发编程的基本心法

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在吃透 Syncchronized 原理 中介绍了关于 Synchronize的实现原理，不管是同步方法仍是同步代码块，不管是ACC_SYNCHRONIZED仍是monitorenter、monitorexit都是基于Monitor实现的，那么这篇来介绍下什么是Monitor。

所谓管程：指的是管理共享变量以及对共享变量的操做过程，让它们支持并发。翻译为 Java 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。

是一种程序结构，结构内的多个子程序（对象或模块）造成的多个工做线程互斥访问共享资源。这些共享资源通常是硬件设备或一群变量。管程实现了在一个时间点，最多只有一个线程在执行管程的某个子程序。与那些经过修改数据结构实现互斥访问的并发程序设计相比，管程实现很大程度上简化了程序设计。 管程提供了一种机制，线程能够临时放弃互斥访问，等待某些条件获得知足后，从新得到执行权恢复它的互斥访问。

MESA 模型

在管程的发展史上，前后出现过三种不一样的管程模型，分别是：Hasen 模型、Hoare 模型和 MESA模型。其中，如今普遍应用的是 MESA 模型，而且 Java 管程的实现参考的也是 MESA 模型。因此今天咱们重点介绍一下MESA 模型。

在并发领域，有两个核心问题：一个是互斥，一个是同步。管程就是来解决这两个问题的。

• 互斥：同一时刻只容许一个线程访问共享资源。
• 同步：线程之间如何通讯、协做。

管程互斥与同步实现

它的思路很简单，将共享变量以及对共享变量的操做统一封装起来。以下图所示，管程 A 将共享变量 data 和相关的操做入队enq()、出队deq() 封装起来。线程 A 和线程 B想访问共享变量 data ，只能经过调用管程提供的 enq() 和 deq() 。固然前提是 enq()、deq() 保证互斥性，只容许一个线程进入管程。是否是颇有面向对象的感受。

在管程模型里，共享变量和对共享变量的操做是被封装起来的，图中最外层的框就表明封装的意思。框的上面只有一个入口，而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，只容许一个线程进入，其余线程则在入口等待队列中等待。这个过程相似就医流程的分诊，只容许一个患者就诊，其余患者都在门口等待。

管程里还引入了条件变量的概念，并且每一个条件变量都对应有一个等待队列，以下图，条件变量 A 和条件变量 B 分别都有本身的等待队列。

经过条件通知去唤醒等待队列的线程竞争 锁资源。

咱们经过一段代码说明，实现一个阻塞队列，队列分别有出队与入队，都是要先获取互斥锁，就像管程中的入口。

1. 对于入队操做，若是队列已满，就须要等待直到队列不满，因此这里用了notFull.await();。
2. 对于出队操做，若是队列为空，就须要等待直到队列不空，因此就用了notEmpty.await();。
3. 若是入队成功，那么队列就不空了，就须要通知条件变量：队列不空notEmpty对应的等待队列。
4. 若是出队成功，那就队列就不满了，就须要通知条件变量：队列不满notFull对应的等待队列。

public class BlockedQueue<T>{
  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();
      }  
      // 省略入队操做...
      // 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();
      }
      // 省略出队操做...
      // 出队后，通知可入队
      notFull.signal();
    }finally {
      lock.unlock();
    }  
  }
}
复制代码

在这段示例代码中，咱们用了 Java 并发包里面的 Lock 和 Condition，若是你看着吃力，也不要紧，后面咱们还会详细介绍，这个例子只是先让你明白条件变量及其等待队列是怎么回事。须要注意的是：await() 和前面咱们提到的 wait() 语义是同样的；signal() 和前面咱们提到的 notify() 语义是同样的。管程经过条件队列通讯实现了同步，为咱们 Java中的并发编程提供了基本支持。

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