【Java并发基础】管程简介

前言

在Java 1.5之前，Java语言提供的唯一并发语言就是管程，Java 1.5之后提供的SDK并发包也是以管程为基础的。除了Java之外，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作的过程，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。记得学习操作系统时，在线程一块还有信号量机制，管程在功能上和信号量及PV操作类似，属于一种进程同步互斥工具。Java选择管程来实现并发主要还是因为实现管程比较容易。

管程对应的英文是Monitor，直译为“监视器”，而操作系统领域一般翻译为“管程”。

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。现在正在广泛使用的是MESA模型。下面我们便介绍MESA模型。

MESA模型

管程中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是解决线程之间的同步问题。

我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作。

假设线程T1要执行出队操作，但是这个操作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。若是线程T1进入管程后发现队列是空的，那它就需要在“队列不空”这个条件变量的等待队列中等待。
通过调用wait()实现。若是用对象A代表“队列不空”这个条件，那么线程T1需要调用A.wait()，来将自己阻塞。
在线程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。

再假设之后另外一个线程T2执行了入队操作，入队操作成功之后，“队列不空”这个条件对于线程T1来说已经满足了，此时线程T2要通知线程T1，告诉它调用需要的条件已经满足了。
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，所以notify唤醒的就是线程T1，如果当这个条件变量的等待队列不止T1一个线程，我们就需要使用notifyAll()。
当线程T1得到通知后，会从等待队列中出来，重新进入到入口等待队列中。

使用代码说明就如下：（代码来自参考[1]）
注意，await()和前面的wait()的语义是一样的；signal()和前面的notify()语义是一样的（没有提到的signalAll()和notifyAll()语义也是一样的）。

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();
        }  
    }
}

wait()的正确使用姿势

对于MESA管程来说，有一个编程范式：

while(条件不满足) {
  wait();
}

我们在前面介绍等待-通知机制时就提到过这种范式。这个范式可以解决“条件曾将满足过”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满足了，所以循环检验条件。

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

notify()和notifyAll()分别何时使用

满足以下三个条件时，可以使用notify()，其余情况尽量使用notifyAll()：

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。

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. 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，然后T1再执行这样就可以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马上执行；等T1执行完，再唤醒t2。比起Hasen模型，T2多了一次阻塞唤醒操作。
3. 在MESA管程里，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到入口等待队列中（但是T1再次执行时，可能条件又不满足了，所以需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作。

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，条件变量可以有多个，Java 语言内置的管程里只有一个条件变量。模型如下图所示。（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，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，需要我们自己进行加锁和解锁操作。

小结

开始本来打算不写这篇学习笔记的，但是思考了一下，Java并发实现本就是源于操作系统中的管程，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》