【Java併發基礎】管程簡介

前言

在Java 1.5以前，Java語言提供的惟一併發語言就是管程，Java 1.5以後提供的SDK併發包也是以管程爲基礎的。除了Java以外，C/C++、C#等高級語言也都是支持管程的。

那麼什麼是管程呢？
見名知意，是指管理共享變量以及對共享變量操做的過程，讓它們支持併發。翻譯成Java領域的語言，就是管理類的狀態變量，讓這個類是線程安全的。

synchronized關鍵字和wait()、notify()、notifyAll()這三個方法是Java中實現管程技術的組成部分。記得學習操做系統時，在線程一塊還有信號量機制，管程在功能上和信號量及PV操做相似，屬於一種進程同步互斥工具。Java選擇管程來實現併發主要仍是由於實現管程比較容易。

管程對應的英文是Monitor，直譯爲「監視器」，而操做系統領域通常翻譯爲「管程」。

在管程的發展史上，前後出現過三種不一樣的管程模型，分別是Hasen模型、Hoare模型和MESA模型。如今正在普遍使用的是MESA模型。下面咱們便介紹MESA模型。

MESA模型

管程中引入了條件變量的概念，並且每一個條件變量都對應有一個等待隊列。條件變量和等待隊列的做用是解決線程之間的同步問題。

咱們來看一個例子來理解這個模型。多個線程對一個共享隊列進行操做。

假設線程T1要執行出隊操做，可是這個操做要執行成功的前提是隊列不能爲空。這個隊列不能爲空就是管程裏的條件變量。如果線程T1進入管程後發現隊列是空的，那它就須要在「隊列不空」這個條件變量的等待隊列中等待。
經過調用wait()實現。如果用對象A表明「隊列不空」這個條件，那麼線程T1須要調用A.wait()，來將本身阻塞。
在線程T1進入條件變量的等待隊列後，是容許其餘線程進入管程的。

再假設以後另一個線程T2執行了入隊操做，入隊操做成功以後，「隊列不空」這個條件對於線程T1來講已經知足了，此時線程T2要通知線程T1，告訴它調用須要的條件已經知足了。
那麼線程T2怎麼通知線程T1？線程T2調用A.notify()來通知A等待隊列中的一個線程，此時這個線程裏面只有T1，因此notify喚醒的就是線程T1，若是當這個條件變量的等待隊列不止T1一個線程，咱們就須要使用notifyAll()。
當線程T1獲得通知後，會從等待隊列中出來，從新進入到入口等待隊列中。

使用代碼說明就以下：（代碼來自參考[1]）
注意，await()和前面的wait()的語義是同樣的；signal()和前面的notify()語義是同樣的（沒有提到的signalAll()和notifyAll()語義也是同樣的）。

public class BlockedQueue<T>{
    final Lock lock = new ReentrantLock();
    // 條件變量：隊列不滿  
    final Condition notFull = lock.newCondition();
    // 條件變量：隊列不空  
    final Condition notEmpty = lock.newCondition();

    // 入隊
    void enq(T x) {
        lock.lock();
        try {
            while (隊列已滿){
                // 等待隊列不滿
                notFull.await();
            }  
            // 省略入隊操做...
            // 入隊後, 通知可出隊
            notEmpty.signal();
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    // 出隊
    void deq(){
        lock.lock();
        try {
            while (隊列已空){
                // 等待隊列不空
                notEmpty.await();
            }
            // 省略出隊操做...
            // 出隊後，通知可入隊
            notFull.signal();
        }finally {
            lock.unlock();
        }  
    }
}

wait()的正確使用姿式

對於MESA管程來講，有一個編程範式：

while(條件不知足) {
  wait();
}

咱們在前面介紹等待-通知機制時就提到過這種範式。這個範式能夠解決「條件曾將知足過」這個問題。喚醒的時間和獲取到鎖繼續執行的時間是不一致的，被喚醒的線程再次執行時可能條件又不知足了，因此循環檢驗條件。

MESA模型的wait()方法還有一個超時參數，爲了不線程進入等待隊列永久阻塞。

notify()和notifyAll()分別什麼時候使用

知足如下三個條件時，可使用notify()，其他狀況儘可能使用notifyAll()：

1. 全部等待線程擁有相同的等待條件；
2. 全部等待線程被喚醒後，執行相同的操做；
3. 只須要喚醒一個線程。

三種管程模型在通知線程上的區別

Hasen模型、Hoare模型和MESA模型的一個核心區別是當條件知足後，如何通知相關線程。

管程要求同一時刻只容許一個線程執行，那當線程T2的操做使得線程T1等待的條件知足時，T1和T2究竟誰能夠執行呢？

1. 在Hasen模型裏，要求notify()放在代碼的最後，這樣T2通知完T1後，T2就結束了，而後T1再執行這樣就能夠保證同一時刻只有一個線程執行。
2. 在Hoare模型裏面，T2通知完T1後，T2阻塞，T1立刻執行；等T1執行完，再喚醒t2。比起Hasen模型，T2多了一次阻塞喚醒操做。
3. 在MESA管程裏，T2通知完T1後，T2仍是會接着執行，T1並不當即執行，僅僅是從條件變量的等待隊列進入到入口等待隊列中（可是T1再次執行時，可能條件又不知足了，因此須要循環防方式檢驗條件變量）。這樣的好處是：notify()代碼不用放到代碼的最後，T2也沒有多餘的阻塞喚醒操做。

Java語言的內置管程synchronized

Java 參考了 MESA 模型，語言內置的管程（synchronized）對 MESA 模型進行了精簡。MESA 模型中，條件變量能夠有多個，Java 語言內置的管程裏只有一個條件變量。模型以下圖所示。（圖來自參考[1]）

Java 內置的管程方案（synchronized）使用簡單，synchronized 關鍵字修飾的代碼塊，在編譯期會自動生成相關加鎖和解鎖的代碼，可是僅支持一個條件變量；而 Java SDK 併發包實現的管程支持多個條件變量，不過併發包裏的鎖，須要咱們本身進行加鎖和解鎖操做。

小結

開始原本打算不寫這篇學習筆記的，可是思考了一下，Java併發實現本就是源於操做系統中的管程，既然要好好介紹Java併發那麼它的來源也應該要好好介紹一下。在學習一個知識的時候，其背後的理論也要好好掌握。

參考： [1]極客時間專欄王寶令《Java併發編程實戰》