管程(Moniter)：并发编程的基本心法

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在吃透 Syncchronized 原理中介绍了关于 Synchronize的实现原理，无论是同步方法还是同步代码块，无论是ACC_SYNCHRONIZED还是monitorenter、monitorexit都是基于Monitor实现的，那么这篇来介绍下什么是Monitor。

所谓管程：指的是管理共享变量以及对共享变量的操作过程，让它们支持并发。翻译为 Java 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。

是一种程序结构，结构内的多个子程序（对象或模块）形成的多个工作线程互斥访问共享资源。这些共享资源一般是硬件设备或一群变量。管程实现了在一个时间点，最多只有一个线程在执行管程的某个子程序。与那些通过修改数据结构实现互斥访问的并发程序设计相比，管程实现很大程度上简化了程序设计。管程提供了一种机制，线程可以临时放弃互斥访问，等待某些条件得到满足后，重新获得执行权恢复它的互斥访问。

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，分别是：Hasen 模型、Hoare 模型和 MESA 模型。其中，现在广泛应用的是 MESA 模型，并且 Java 管程的实现参考的也是 MESA 模型。所以今天我们重点介绍一下 MESA 模型。

在并发领域，有两个核心问题：一个是互斥，一个是同步。管程就是来解决这两个问题的。

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。

管程互斥与同步实现

它的思路很简单，将共享变量以及对共享变量的操作统一封装起来。如下图所示，管程 A 将共享变量 data 和相关的操作入队enq()、出队deq() 封装起来。线程 A 和线程 B想访问共享变量 data ，只能通过调用管程提供的 enq() 和 deq() 。当然前提是 enq()、deq() 保证互斥性，只允许一个线程进入管程。是不是很有面向对象的感觉。

()

在管程模型里，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，如下图，条件变量 A 和条件变量 B 分别都有自己的等待队列。

通过条件通知去唤醒等待队列的线程竞争锁资源。

我们通过一段代码说明，实现一个阻塞队列，队列分别有出队与入队，都是要先获取互斥锁，就像管程中的入口。

对于入队操作，如果队列已满，就需要等待直到队列不满，所以这里用了notFull.await();。
对于出队操作，如果队列为空，就需要等待直到队列不空，所以就用了notEmpty.await();。
如果入队成功，那么队列就不空了，就需要通知条件变量：队列不空notEmpty对应的等待队列。
如果出队成功，那就队列就不满了，就需要通知条件变量：队列不满notFull对应的等待队列。

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();

    }

  }

}

在这段示例代码中，我们用了 Java 并发包里面的 Lock 和 Condition，如果你看着吃力，也没关系，后面我们还会详细介绍，这个例子只是先让你明白条件变量及其等待队列是怎么回事。需要注意的是：await() 和前面我们提到的 wait() 语义是一样的；signal() 和前面我们提到的 notify() 语义是一样的。管程通过条件队列通信实现了同步，为我们 Java中的并发编程提供了基本支持。

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