Operating System-进程/线程内部通信-管程（Monitor）介绍，实现以及应用

本文主要内容：

• 管程（Monitor）介绍
• 管程实现
• 管程应用

一、管程（Monitor）介绍

1.1 管程

前一篇文章介绍了信号量以及使用，信号量已经提供了一个方便且高效的进程同步机制，但是信号量有个缺点就是每次都需要程序员专门的去调用PV操作，如果程序员由于大意调用错了PV操作，比如该调用P操作的时候却调用了V操作，该针对X信号量调用P操作，却对Y信号量调用了P操作。这种错误是非常危险的，因为进程同步的问题不是每次都能重现，比如前面的错误在测试环境可能不会出现错误，但是到了生产环境就有可能出现，且无法重现。

为了解决上述问题，引入了管程（Monitor），信号量是操作系统层面的结构，管程是一个程序结构，由编程语言封装，最终由编译器：

• 一个管程定义了一个数据结构和能够并发进程所执行的一组操作，这组操作能同步进程和改变管程中的数据
• 进程可以调用管程的操作，但是不能访问管程的内部数据结构
• 它表示一个对象自己维护自己的状态，并且能够根据自身状态来同步并发的线程操作，而不是把这种同步的手段交给调用者来处理。
• 管程保证同一时间只有一个进程处在管程内部的方法内

monitor MonitorName
{
    //shared variable declarations
    procedure P1(...)
    {

    }
    procedure P2(...)
    {

    }

    procedure P3(...)
    {

    }

    procedure PN(...)
    {

    }

    initialization code(...)
    {

    }
}

1.2 条件（Condition variables）

只有管程是不够的，在生产者消费者的例子中，当发现buffer中如果已经没有item的时候，消费者如何block自己呢？介于这个原因，又引入了条件变量（Condition Variables）。条件变量同时提供了两个方法：P以及V用于block和unblock。

二、管程实现

管程通过队列来跟踪那些尝试着想访问管程的进程，为了排他访问，管程必须得有一个锁，访问管程的进程会得到这个锁，其他尝试访问管程的进程就得block。被block的进程会被放入队列，等待被unblock。

管程的实现中有如下的队列：

1. 进入队列（Entry Queue），保存尝试从外部访问管程程序的进程，每个管程至少有一个进入队列
2. 被唤醒的队列（Signaller Queue），保存刚刚执行了V操场的进程（signal）
3. 等待队列（Waiting Queue），保存刚刚被V操作唤醒的进程
4. 条件变量队列（Condition Variable Queue），保存刚刚执行了条件变量Wait（P）操作的进程

三、管程应用

上一篇文章针对哲学家用餐给出的解决方案有个问题：当所有哲学家同时拿起筷子想吃饭的时候就会发生死锁，所有哲学家都会一直处于等待状态。本文用管程给出了解决方案，哲学家吃饭得满足的条件：

1. 哲学家饿（hungry）
2. 哲学家的左右邻居都没有吃饭

如果满足上面条件，则哲学家便可以拿起筷子进行用餐，否则哲学家就得等待

monitor dp
{
   enum {thinking, hungry, eating} state[];
   condition self[];

   void pickup(int i) {
      state[i] = hungry;
      test(i);
      if (state[i] != eating)
         self[i].wait();//P操作
   }

   void putdown(int i) {
      state[i] = thinking;
      test( (i+)% );
      test( (i+)% );
   }

   void test(int i) {
      if ((state[(i+)%] != eating) &&
          (state[i] == hungry) &&
          (state[(i+)%] != eating)) {
         state[i] = eating;
         self[i].signal();//V操作
      }
   }

   void init() {
      for (int i = ; i < ; i++)
         state[i] = thinking;
   }
}

Condition Self代表五个哲学家，当不能吃时候进行wait。

db.pickup(i);//找筷子
...
eating//吃
...
dp.putdown(i);//放下筷子

管程更多的是对资源的并发访问做了一次封装，感觉有很多OO编程的思想，直接用信号量的话，各种控制会很发散，当然容易出错，信号量本事是没有问题的。但是使用容易出错。且由于散发在多出，出问题不好排查，也不好修复。

管程是一种编程思想，这种思想就是封装，并且有DRY的感觉。