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本系列专栏 Java并发编程专栏 - 元浩875的专栏 - 掘金 (juejin.cn)

前言

并发编程已经发展了这么多年，那有没有一种核心技术来解决并发问题呢当然是有的，这里的管程就是一种。在Java 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。

那本章就来看看这个可以说是并发编程万能钥匙的管程。

正文

如果直接来说概念的话，可能会觉得突兀，我们就来了解一下什么是管程。

管程

在Java 1.5之前，仅仅提供了synchronized关键字以及wait()、notify()、notifyAll()这几个方法就可以完成并发编程，而且这几个方法就是实现前面文章所说的等待-通知机制，为什么会突然给出这么一套方案呢因为synchronized关键字以及这几个方法都是管程的组成部分。

管程，对应的英文是Monitor，很多翻译为监视器，不过在操作系统领域一般翻译为管程，是一种意译。

所谓管程，指的就是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。在Java中，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。

MESA模型

在并发编程的领域，有2个核心问题：一个是互斥，即同一时刻只允许一个线程访问共享资源；另一个就是同步，即线程之间如何通信、协作。这2大问题，管程都可以解决。

管程有很多模型，不过现在使用最广泛的是MESA模型，而且Java也是使用的是MESA模型，我们先来看看管程是如何解决互斥问题。

解决互斥问题

管程解决互斥问题的思路很简单，就是将共享变量以及对共享变量的操作统一封装起来。比如要实现一个线程安全的阻塞队列，那一个最简单的思路就是将线程不安全的队列给封装起来，对外只提供安全的操作方法：入队和出队。

而管程很容易实现，比如下图：

这里有个管程X，它就把一个线程不安全的共享变量queue以及入队和出队给封装了起来，而线程A和线程B想访问共享变量queue，只能通过管程提供的enq()和deq()方法，而这2个方法保证互斥性，只允许一个线程进入管程，这样的话就解决了互斥问题。

解决同步问题

既然可以通过封装共享变量以及其操作来实现互斥，那如何解决同步问题呢这个可以借鉴一下之前文章所说的就医流程，以及就医流程所引出的等待-通知机制，这里管程也是通过这种模型来解决同步问题的。

比如下图：

上面的入口就是保证互斥的，假如有N条线程想访问共享变量V，但是只有一条线程能进入，其他的线程就在入口等待队列中等待。

在上图中还有个概念叫做条件变量，而且每个条件变量对应着有一个等待队列，比如条件变量A和条件变量B都有一个等待队列。而这个条件变量和条件变量等待队列就是解决线程同步问题。

何为线程同步，在本系列第一章就说过就是一个线程干完一件事了，需要通知其他线程去干后续的事。这里是不是有点似曾相识，在之前文章所说的转账那个例子中，我们就是让线程等待，当有账户被释放时，再去唤醒，其实道理是一样的，我们本篇以实现阻塞队列为例。

假设有个线程T1执行阻塞队列的出队操作，执行出队操作，这里有个前提条件就是阻塞队列不为空，阻塞队列不为空就是管程里的条件变量。如果T1进入管程后发现阻塞队列是空的，那就去这个条件变量对应的等待队列中等待；这时线程T1进入等待队列中时，其他线程是可以进入管程的。

在假如线程T2执行阻塞队列入队操作，入队操作执行成功后，阻塞队列不为空这个条件对于T1来说已经满足了，这时T2要通知T1，告诉它条件满足了，当T1得到通知后，会从等待队列中出来，重新进入到入口等待队列中。

条件变量以及其等待队列我们搞清楚后，我们就来说说wait()、notify()和notifyAll()这三个操作。假设我们用对象A代表"阻塞队列不为空"这个条件，那么当T1发现A不满足时，就需要调用A.wait()。而当线程T2操作完，发现A满足时，这时就要调用**A.notify()**来通知A等待队列中的一个线程。

安全阻塞队列

说完了管程是如何解决互斥和同步问题后，我们就来看看一个完整的代码例子。思路如下：

阻塞队列中有2个操作分别是入队和出队，这2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()。
对于阻塞队列的出队操作，如果阻塞队列为空，就需要等待直到阻塞队列不为空，所以这里用了notEmpty.await()。
如果入队成功，那么阻塞队列就不空了，就要通知条件变量：阻塞队列不空notEmpty对应的等待队列。
如果出队成功，那么阻塞队列就不满了，就要通知条件变量：阻塞队列不满notFull对应的等待队列。

完整代码如下：

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){
        // 线程会等待队列直到不满 ，同时释放锁
        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){
        // 线程会等待队列不空，同时释放锁
        notEmpty.await();
      }
      // 省略出队操作...
      //出队后，通知可入队
      notFull.signal();
    }finally {
      lock.unlock();
    }  
  }
}

这里使用Lock和Condition，其实大致意思就能知道，指的就是条件变量。而这里的await()就和wait()语义一样，signal()和前面notify()语义一样。

wait()使用的范式

在前面说等待-通知机制时，我们说过一个编程范式，那么在MESA管程模型中也有个编程范式就是下面：

while(条件不满足) {
  wait();
}

这是因为MESA模型通知线程的操作不同引起的，T2通知完T1后，T2还会接着执行，T1并不会立即执行，仅仅是从条件变量的等待队列进入到入口等待队列里面。而其他管程模型有的是T2通知完T1后，T1立即执行等情况；虽然MESA模型不错，但是有个缺点，就是当T1再去执行时，可能条件已经不满足了，所以需要循环验证条件变量。

Java的synchronized

Java参考了MESA模型，而语言内置的管程synchronized就是对MESA模型的精简，在MESA模型中，条件变量可以有多个，而Java语言内置的管程即synchronized其条件变量只有一个，如下图：

Java内置的管程方案synchronized使用简单，在编译期会自动加锁和解锁，而且仅支持一个条件变量。后续学习Java SDK并发包时，再说如何自己加锁和解锁以及支持多个条件变量。

总结

搞明白管程后，有一种豁然开朗的感觉，Java的并发编程也不过如此，后续会继续学习一些Java并发包中的工具类，来看看规范的并发类都是如何实现的。

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