【Java并发基础】管程简介

前言

在Java 1.5以前，Java语言提供的惟一并发语言就是管程，Java 1.5以后提供的SDK并发包也是以管程为基础的。除了Java以外，C/C++、C#等高级语言也都是支持管程的。

那么什么是管程呢？
见名知意，是指管理共享变量以及对共享变量操做的过程，让它们支持并发。翻译成Java领域的语言，就是管理类的状态变量，让这个类是线程安全的。

synchronized关键字和wait()、notify()、notifyAll()这三个方法是Java中实现管程技术的组成部分。记得学习操做系统时，在线程一块还有信号量机制，管程在功能上和信号量及PV操做相似，属于一种进程同步互斥工具。Java选择管程来实现并发主要仍是由于实现管程比较容易。

管程对应的英文是Monitor，直译为“监视器”，而操做系统领域通常翻译为“管程”。

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。如今正在普遍使用的是MESA模型。下面咱们便介绍MESA模型。

MESA模型

管程中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。条件变量和等待队列的做用是解决线程之间的同步问题。

咱们来看一个例子来理解这个模型。多个线程对一个共享队列进行操做。

假设线程T1要执行出队操做，可是这个操做要执行成功的前提是队列不能为空。这个队列不能为空就是管程里的条件变量。如果线程T1进入管程后发现队列是空的，那它就须要在“队列不空”这个条件变量的等待队列中等待。
经过调用wait()实现。如果用对象A表明“队列不空”这个条件，那么线程T1须要调用A.wait()，来将本身阻塞。
在线程T1进入条件变量的等待队列后，是容许其余线程进入管程的。

再假设以后另一个线程T2执行了入队操做，入队操做成功以后，“队列不空”这个条件对于线程T1来讲已经知足了，此时线程T2要通知线程T1，告诉它调用须要的条件已经知足了。
那么线程T2怎么通知线程T1？线程T2调用A.notify()来通知A等待队列中的一个线程，此时这个线程里面只有T1，因此notify唤醒的就是线程T1，若是当这个条件变量的等待队列不止T1一个线程，咱们就须要使用notifyAll()。
当线程T1获得通知后，会从等待队列中出来，从新进入到入口等待队列中。

使用代码说明就以下：（代码来自参考[1]）
注意，await()和前面的wait()的语义是同样的；signal()和前面的notify()语义是同样的（没有提到的signalAll()和notifyAll()语义也是同样的）。

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();
        }  
    }
}

wait()的正确使用姿式

对于MESA管程来讲，有一个编程范式：

while(条件不知足) {
  wait();
}

咱们在前面介绍等待-通知机制时就提到过这种范式。这个范式能够解决“条件曾将知足过”这个问题。唤醒的时间和获取到锁继续执行的时间是不一致的，被唤醒的线程再次执行时可能条件又不知足了，因此循环检验条件。

MESA模型的wait()方法还有一个超时参数，为了不线程进入等待队列永久阻塞。

notify()和notifyAll()分别什么时候使用

知足如下三个条件时，可使用notify()，其他状况尽可能使用notifyAll()：

1. 全部等待线程拥有相同的等待条件；
2. 全部等待线程被唤醒后，执行相同的操做；
3. 只须要唤醒一个线程。

三种管程模型在通知线程上的区别

Hasen模型、Hoare模型和MESA模型的一个核心区别是当条件知足后，如何通知相关线程。

管程要求同一时刻只容许一个线程执行，那当线程T2的操做使得线程T1等待的条件知足时，T1和T2究竟谁能够执行呢？

1. 在Hasen模型里，要求notify()放在代码的最后，这样T2通知完T1后，T2就结束了，而后T1再执行这样就能够保证同一时刻只有一个线程执行。
2. 在Hoare模型里面，T2通知完T1后，T2阻塞，T1立刻执行；等T1执行完，再唤醒t2。比起Hasen模型，T2多了一次阻塞唤醒操做。
3. 在MESA管程里，T2通知完T1后，T2仍是会接着执行，T1并不当即执行，仅仅是从条件变量的等待队列进入到入口等待队列中（可是T1再次执行时，可能条件又不知足了，因此须要循环防方式检验条件变量）。这样的好处是：notify()代码不用放到代码的最后，T2也没有多余的阻塞唤醒操做。

Java语言的内置管程synchronized

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，条件变量能够有多个，Java 语言内置的管程里只有一个条件变量。模型以下图所示。（图来自参考[1]）

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，可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，须要咱们本身进行加锁和解锁操做。

小结

开始原本打算不写这篇学习笔记的，可是思考了一下，Java并发实现本就是源于操做系统中的管程，既然要好好介绍Java并发那么它的来源也应该要好好介绍一下。在学习一个知识的时候，其背后的理论也要好好掌握。

参考： [1]极客时间专栏王宝令《Java并发编程实战》