并发编程-管程

Java 语言在 1.5 之前，提供的唯一的并发原语就是管程，而且 1.5 之后提供的 SDK 并发包，也是以管程技术为基础的。除此之外，C/C++、C# 等高级语言也都支持管程。

一、定义

管理共享变量以及对共享变量的操作过程，让他们支持并发。
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。

Java 采用的是管程技术，synchronized 关键字及 wait()、notify()、notifyAll() 这三个方法都是管程的组成部分。而管程和信号量是等价的，所谓等价指的是用管程能够实现信号量，也能用信号量实现管程。但是管程更容易使用，所以 Java 选择了管程。

二、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：

• Hasen 模型
• Hoare 模型
• MESA 模型

Java 管程的实现参考的也是 MESA 模型。

发编程领域，有两大核心问题：

• 互斥：同一时刻只允许一个线程访问共享资源
• 同步：线程之间如何通信、协作

1.管程解决互斥问题

将共享变量及其对共享变量的操作统一封装起来。

假如要实现一个线程安全的阻塞队列，一个最直观的想法就是：将线程不安全的队列封装起来，对外提供线程安全的操作方法，例如入队操作和出队操作。

利用管程，可以快速实现这个直观的想法：

管程模型的代码化语义.png

管程 X 将共享变量 queue 这个线程不安全的队列和相关的操作入队操作 enq()、出队操作 deq() 都封装起来了；线程 A 和线程 B 如果想访问共享变量 queue，只能通过调用管程提供的 enq()、deq() 方法来实现；enq()、deq() 保证互斥性，只允许一个线程进入管程。

2.管程解决线程间的同步问题

MESA管程模型.png

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。这个过程类似就医流程的分诊，只允许一个患者就诊，其他患者都在门口等待。

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 A 和条件变量 B 分别都有自己的等待队列。
那条件变量和条件变量等待队列的作用是解决线程同步问题。

假设有个线程 T1 执行阻塞队列的出队操作，执行出队操作，需要注意有个前提条件，就是阻塞队列不能是空的（空队列只能出 Null 值，是不允许的），阻塞队列不空这个前提条件对应的就是管程里的条件变量。 如果线程 T1 进入管程后恰好发现阻塞队列是空的，就去条件变量对应的等待队列里面等。此时线程 T1 就去“队列不空”这个条件变量的等待队列中等待。这个过程类似于大夫发现你要去验个血，于是给你开了个验血的单子，你就去验血的队伍里排队。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。这和你去验血的时候，医生可以给其他患者诊治，道理都是一样的。

再假设之后另外一个线程 T2 执行阻塞队列的入队操作，入队操作执行成功之后，“阻塞队列不空”这个条件对于线程 T1 来说已经满足了，此时线程 T2 要通知 T1，告诉它需要的条件已经满足了。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等待队列里面。这个过程类似你验血完，回来找大夫，需要重新分诊。

wait()、notify()、notifyAll()
前面提到线程 T1 发现“阻塞队列不空”这个条件不满足，需要进到对应的等待队列里等待。这个过程就是通过调用 wait() 来实现的。
如果我们用对象 A 代表“阻塞队列不空”这个条件，那么线程 T1 需要调用 A.wait()。同理当“阻塞队列不空”这个条件满足时，线程 T2 需要调用 A.notify() 来通知 A 等待队列中的一个线程，此时这个等待队列里面只有线程 T1。至于 notifyAll() 这个方法，它可以通知等待队列中的所有线程。

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();
    }  
  }
}

代码用管程实现了一个线程安全的阻塞队列（这个阻塞队列和管程内部的等待队列没关系，示例代码只是用管程来实现阻塞队列，而不是解释管程内部等待队列的实现原理）。阻塞队列有两个操作分别是入队和出队，这两个方法都是先获取互斥锁，类比管程模型中的入口。

• 对于阻塞队列的入队操作，如果阻塞队列已满，就需要等待直到阻塞队列不满，所以这里用了notFull.await();
• 对于阻塞出队操作，如果阻塞队列为空，就需要等待直到阻塞队列不空，所以就用了notEmpty.await();
• 如果入队成功，那么阻塞队列就不空了，就需要通知条件变量：阻塞队列不空notEmpty对应的等待队列
• 如果出队成功，那就阻塞队列就不满了，就需要通知条件变量：阻塞队列不满notFull对应的等待队列

await() 和前面提到的 wait() 语义是一样的；signal() 和前面我们提到的 notify() 语义是一样的。

三、wait() 的正确使用

对于 MESA 管程来说，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 的操作使线程 T1 等待的条件满足时，T1 和 T2 究竟谁可以执行呢？

• Hasen 模型里面，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，这样就能保证同一时刻只有一个线程执行。
• 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，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。
• MESA 管程里面，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到入口等待队列里面。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，所以需要以循环方式检验条件变量。

四、notify() 的正确使用

除非经过深思熟虑，否则尽量使用 notifyAll()。那什么时候可以使用 notify() 呢？需要满足以下三个条件：

• 所有等待线程拥有相同的等待条件；
• 所有等待线程被唤醒后，执行相同的操作；
• 只需要唤醒一个线程。

比如上面阻塞队列的例子中，对于“阻塞队列不满”这个条件变量，其等待线程都是在等待“阻塞队列不满”这个条件，反映在代码里就是下面这 3 行代码。对所有等待线程来说，都是执行这 3 行代码，重点是 while 里面的等待条件是完全相同的。

while (阻塞队列已满){
  // 等待队列不满
  notFull.await();
}

所有等待线程被唤醒后执行的操作也是相同的，都是下面这几行：

// 省略入队操作...
// 入队后,通知可出队
notEmpty.signal();

同时也满足第 3 条，只需要唤醒一个线程。所以上面阻塞队列的代码，使用 signal() 是可以的。