管程:并发编程的基石

点击上方菜鸟飞呀飞或者扫描下方二维码，即可关注微信公众号。

本文主要参考了极客时间上王宝令老师的《Java并发编程实战》，里面大部分内容来自这门课程，本文中的几张图也是参考课程里面的图画的。个人觉得这门课程比较基础，相对而言比较简单，老师讲解得也十分清晰，适合并发编程的入门，有需要的朋友可以点击文末的二维码连接去了解。

1. 定义

• Monitor在英语中直译是监视器的意思，但是在操作系统中通常被翻译为管程，是用来实现并发的一种技术，它解决了并发编程中的两大核心问题：互斥与同步。所以管程的定义是：用来管理共享变量以及对共享变量操作的过程。
• 历史上出现过三种管程模型，MESA模型、Hasen模型、Hoare模型。而在Java中，管程的实现是根据MESA模型实现的。

2. MESA模型

管程实现了并发编程领域的两大核心问题：互斥与同步，那么MESA模型是如何来实现互斥与同步的呢？

2.1 互斥

• 管程通过对共享变量以及对操作共享变量方法的进行了封装，在同一时刻，只有一个线程进入到管程中，这样就保证了只有一个线程来操作共享变量，实现了互斥的功能。
  
• 如上图中，管程X对共享变量count，以及对操作共享变量count的两个方法递增：increment()和递减：decrement()进行了封装，要想访问共享变量count，只能通过increment()和decrement()。由于管程保证了同时只允许一个线程进入，所以保证了increment()和decrement()的互斥性。

2.2 同步

• 如下图的管程模型图中，方框代表管程对共享变量以及操作共享变量方法的封装，在入口处有一个等待队列，当有多个线程试图进入管程时，管程只允许一个线程进入，其他的线程进入到等待队列中。
• 在管程中引入了条件变量的概念，每个条件变量都对应一个等待队列。如图中的条件变量A和B分别对应一个等待队列。
  
• 条件变量和等待队列的作用就是为了实现线程之间的同步问题。可以结合下面的例子理解。
  假设有如下场景，对于共享变量count，初始值为0，我们需要对它进行递增或者递减操作，但是在进行操作时，需要满足如下条件，进行递增时，count的值不能大于等于10，进行递减时，count的值需要大于0。
• 假设线程T1要对共享变量进行递减操作，由于此时count值为0，所以不能进行递减操作，这个时候就应该让线程T1进行等待。去哪儿等待呢？去条件变量对应的等待队列里面进行等待。所以此时需要调用count>0这个条件变量对象的wait()方法，这样线程T1就进入到count>0这个条件变量的等待队列中等待。
• 再假设线程T2要对共享变量进行递增操作，由于此时count=0，满足count值不能大于等于10这个条件，所以T2执行递增操作，操作之后count变为1，那么此时对于条件变量count>0对于线程T1来说已经成立了，所以这个时候T2需要通知T1条件满足了。那么如何通知呢？通过调用count>0这个条件变量对象的notify()或者notifyAll()方法。通知完成后，T1线程会从条件变量的等待队列中出来，但是此时T1不会立马执行，而是需要重新进入到管程入口处的等待队列中。
• 可以结合如下代码理解。在代码中使用了java.util.concurrent包下的类Lock和Condition，await()方法和wait()方法作用是一样的，signalAll()和notifyAll()作用是一样的。

public class Count {

    volatile int count = 0;

    final Lock lock = new ReentrantLock();

    // 小于10条件变量
    final Condition lessThanTen = lock.newCondition();

    // 大于0条件变量
    final Condition moreThanZero = lock.newCondition();

    void increment(){
        lock.lock();
        try{
            while(!count小于10){
                // 小于10这个条件变量不满足，调用await()方法进入到条件变量的等待队列中
                lessThanTen.await();
            }
            // 执行递增操作
            // 递增完成以后，通知大于0这个条件等待队列中的线程
            moreThanZero.signalAll();
        }finally {
          lock.unlock();
        }
    }

    void decrement(){
        lock.lock();
        try{
            while(!count大于0){
                // 大于0这个条件变量不满足，调用await()方法进入到条件变量的等待队列中
                moreThanZero.await();
            }
            // 执行递减操作

            // 执行递减操作以后，通知小于10这个条件等待队列中的线程
            lessThanTen.signalAll();
        }finally{
            lock.unlock();
        }
    }

}

• 通过对上面MESA管程模型的介绍，到这里相信你对管程有了一定的认识。那管程在Java中到底是如何实现的呢？

3. synchronized

• Java语言中为我们提供了synchronized关键字来实现锁。synchronized关键词实现的锁是隐式锁，为什么称之为隐式锁呢？是因为在编译器编译Java文件时，当碰到synchronized时，会自动加上加锁指令和解锁指令，即monitorenter和monitorexit，这一步对于开发人员来说是透明的，所以说它是隐式锁。它的底层实现就是通过管程实现的，前面我们介绍的管程模型中，可以支持多个条件变量，但是synchronized的管程实现只支持一个条件变量。它的管程示意图如下：
  
• 那么在虚拟机中，是如何实现管程的呢？那就是ObjectMonitor这个对象了。在openJDK的源码中，有这样两个源文件：objectMonitor.cpp和objectMonitor.hpp。前者的文件中实现了锁的获取、释放等方法，后者定义了前者需要的头文件。在objectMonitor.hpp文件中定义了这样一个结构：

ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;
    _count        = 0;
    _waiters      = 0,
    _recursions   = 0;
    _object       = NULL;
    _owner        = NULL;
    // 条件等待队列
    _WaitSet      = NULL;
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ;
    FreeNext      = NULL ;
    // 入口等待队列
    _EntryList    = NULL ;
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
    _previous_owner_tid = 0;
 }

• 在ObjectMonitor这个结构中，有两个重要的属性：_WaitSet和_EntryList，这两个属性分别对应管程中条件等待队列和入口等待队列。

4. Lock与Condition

Lock和Condition是java.util.concurrent包下的类，与synchronized关键字实现锁的原理不一样，Lock是在Java层面实现的，而synchronized是通过JVM虚拟机实现的锁。

• Lock和Condition也是通过管程模型来实现锁的。其中Lock是是用来实现互斥的，Condition是用来实现同步的。
• 与synchronized不同的是，Lock与Condition实现的管程，支持多条件变量，而synchronized的管程实现只支持单个条件变量。

5. 总结

• 本文主要介绍了管程的模型以及管程是如何来实现并发的，
• 本文结合Java中synchronized和Lock介绍了管程的实现。

本文的内容更偏于个人的学习笔记，很多地方讲解得不是很详细，如果想了解更加详细的，可以去看看极客时间上《Java并发编程实战》这门课程，下方是课程的二维码链接。