1 并发编程的核心问题

在并发编程领域，有两大核心问题：一个是互斥，即同一时刻只允许一个线程访问共享资源；另一个是同步，即线程之间如何通信、协作。这两大问题，管程都是能够解决的。

1.1 互斥

管程解决互斥问题的思路很简单，就是将共享变量及其对共享变量的操作统一封装起来。假如我们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。

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。

1.2 同步

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。为进一步便于理解，在下面，我展示了一幅 MESA 管程模型示意图，它详细描述了 MESA 模型的主要组成部分。

入口等待队列：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。
条件变量： 每个条件变量都对应有一个等待队列，如上图，条件变量 A 和条件变量 B 分别都有自己的等待队列。
条件变量等待队列. 条件变量和条件变量等待队列的作用就是解决线程同步问题。
出队：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，那怎么办呢？等待啊，去哪里等呢？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（wait）。
入队：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（notify、notifyAll），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。（同理阻塞队列满的时候，会去对应的条件变量等待队列中等待。前提是队列是有界队列）

1.2.1 Java的MESA模型实现

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Java的 MESA 模型。 Java 参考了 MESA 模型，语言内置的管程（synchronized）对 MESA 模型进行了精简。MESA 模型中，条件变量可以有多个，Java 语言内置的管程里只有一个条件变量。具体如下图所示。

Java 内置的管程方案（synchronized）使用简单，synchronized 关键字修饰的代码块，在编译期会自动生成相关加锁和解锁的代码，但是仅支持一个条件变量；而 Java SDK 并发包实现的管程支持多个条件变量，不过并发包里的锁，需要开发人员自己进行加锁和解锁操作。

2 Java是如何解决核心问题的？

在并发编程领域，有两大核心问题：一个是互斥，即同一时刻只允许一个线程访问共享资源；另一个是同步，即线程之间如何通信、协作。这两大问题，管程都是能够解决的。Java SDK 并发包通过 Lock 和 Condition 两个接口来实现管程，其中 Lock 用于解决互斥问题，Condition 用于解决同步问题。

2.1 Lock 解决互斥

在性能上，lock与synchronized关键字区别不大；但是lock能做的事，synchronized不能做。（再造管程的理由）

能够响应中断。synchronized 的问题是，持有锁 A 后，如果尝试获取锁 B 失败，那么线程就进入阻塞状态，一旦发生死锁，就没有任何机会来唤醒阻塞的线程。但如果阻塞状态的线程能够响应中断信号，也就是说当我们给阻塞的线程发送中断信号的时候，能够唤醒它，那它就有机会释放曾经持有的锁 A。
支持超时。如果线程在一段时间之内没有获取到锁，不是进入阻塞状态，而是返回一个错误，那这个线程也有机会释放曾经持有的锁
非阻塞地获取锁。如果尝试获取锁失败，并不进入阻塞状态，而是直接返回，那这个线程也有机会释放曾经持有的锁。

2.1.1 ReentrantLock

所谓可重入锁，顾名思义，指的是线程可以重复获取同一把锁。例如下面代码中，当线程 T1 执行到 ① 处时，已经获取到了锁 rtl ，当在 ① 处调用 get() 方法时，会在 ② 再次对锁 rtl 执行加锁操作。此时，如果锁 rtl 是可重入的，那么线程 T1 可以再次加锁成功；如果锁 rtl 是不可重入的，那么线程 T1 此时会被阻塞。

class X {
  private final Lock rtl =
  new ReentrantLock();
  int value;
  public int get() {
    // 获取锁
    rtl.lock();         ②
    try {
      return value;
    } finally {
      // 保证锁能释放
      rtl.unlock();
    }
  }
  public void addOne() {
    // 获取锁
    rtl.lock();  
    try {
      value = 1 + get(); ①
    } finally {
      // 保证锁能释放
      rtl.unlock();
    }
  }
}

在使用 ReentrantLock 的时候，你会发现 ReentrantLock 这个类有两个构造函数

//无参构造函数：默认非公平锁
public ReentrantLock() {
    sync = new NonfairSync();
}
//根据公平策略参数创建锁
public ReentrantLock(boolean fair){
    sync = fair ? new FairSync() 
                : new NonfairSync();
}

一个是无参构造函数
一个是传入 fair 参数的构造函数。fair 参数代表的是锁的公平策略，如果传入 true 就表示需要构造一个公平锁，反之则表示要构造一个非公平锁。

我们介绍过入口等待队列，锁都对应着一个等待队列，如果一个线程没有获得锁，就会进入等待队列，当有线程释放锁的时候，就需要从等待队列中唤醒一个等待的线程。如果是公平锁，唤醒的策略就是谁等待的时间长，就唤醒谁，很公平；如果是非公平锁，则不提供这个公平保证，有可能等待时间短的线程反而先被唤醒。

2.1.2 ReadWriteLock

针对读多写少这种并发场景，Java SDK 并发包提供了读写锁——ReadWriteLock，非常容易使用，并且性能很好。读写锁，并不是 Java 语言特有的，而是一个广为使用的通用技术，所有的读写锁都遵守以下三条基本原则：

允许多个线程同时读共享变量；
只允许一个线程写共享变量；
如果一个写线程正在执行写操作，此时禁止读线程读共享变量。

读写锁与互斥锁的一个重要区别就是读写锁允许多个线程同时读共享变量，而互斥锁是不允许的，这是读写锁在读多写少场景下性能优于互斥锁的关键。但读写锁的写操作是互斥的，当一个线程在写共享变量的时候，是不允许其他线程执行写操作和读操作。

class Cache<K,V> {
  final Map<K, V> m =
    new HashMap<>();
  final ReadWriteLock rwl =
    new ReentrantReadWriteLock();
  // 读锁
  final Lock r = rwl.readLock();
  // 写锁
  final Lock w = rwl.writeLock();
  // 读缓存
  V get(K key) {
    r.lock();
    try { return m.get(key); }
    finally { r.unlock(); }
  }
  // 写缓存
  V put(K key, V value) {
    w.lock();
    try { return m.put(key, v); }
    finally { w.unlock(); }
  }
}

读写锁类似于 ReentrantLock，也支持公平模式和非公平模式。

读锁和写锁都实现了 java.util.concurrent.locks.Lock 接口，所以除了支持 lock() 方法外，tryLock()、lockInterruptibly() 等方法也都是支持的。但是有一点需要注意，那就是只有写锁支持条件变量，读锁是不支持条件变量的，读锁调用 newCondition() 会抛出 UnsupportedOperationException 异常。

2.2 Condition 解决同步

Condition 实现了管程模型里面的条件变量。Java 语言内置的管程（synchronized）里只有一个条件变量，而 Lock&Condition 实现的管程是支持多个条件变量的，这是二者的一个重要区别。在很多并发场景下，支持多个条件变量能够让我们的并发程序可读性更好，实现起来也更容易。例如，实现一个阻塞队列，就需要两个条件变量。

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();
    }  
  }
}

并发编程（中）