并发五：管程

Java 语言在 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的。除此之外，C/C++、C# 等高级语言也都支持管程。可以这么说，管程就是一把解决并发问题的万能钥匙。

什么是管程

管程，对应的英文是 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，让他们支持并发。翻译为Java 领域的语言，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。那管程是 怎么管的呢？

MESA模型

管程发展史上，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管程的实现参考也是MESA模型，下面介绍一下。

并发编程的两大问题分别是互斥（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）。这两大问题，管程都是可以解决的。

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。在下图中，管程 X 将共享变量 queue 这个队列和相关的操作入队 enq()、出队 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。不知你有没有 发现，管程模型和面向对象高度契合的。估计这也是 Java 选择管程的原因吧。而我在前面 章节介绍的互斥锁用法，其背后的模型其实就是它。

管程解决同步问题就比较复杂了，下面是MESA管程模型示意图，详细描述了MESA模型的主要组成部分。

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。

那条件变量和等待队列的作用是什么呢？其实就是解决线程同步问题。可以结合上面提到的入队出队例子加深一下理解。

假设有个线程 T1 执行出队操作，不过需要注意的是执行出队操作，有个前提条件，就是队 列不能是空的，而队列不空这个前提条件就是管程里的条件变量。 如果线程 T1 进入管程 后恰好发现队列是空的，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。这个过程类似于 大夫发现你要去验个血，于是给你开了个验血的单子，你呢就去验血的队伍里排队。线程 T1 进入条件变量的等待队列后，是允许其他线程进入管程的。这和你去验血的时候，医生 可以给其他患者诊治，道理都是一样的。

再假设之后另外一个线程 T2 执行入队操作，入队操作执行成功之后，“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，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，但是出来之后不是马上执行，而是重新进 入到入口等待队列里面。这个过程类似你验血完，回来找大夫，需要重新分诊。 条件变量及其等待队列我们讲清楚了，下面再说说 wait()、notify()、notifyAll() 这三个操 作。前面提到线程 T1 发现“队列不空”这个条件不满足，需要进到对应的等待队列里等 待。这个过程就是通过调用 wait() 来实现的。如果我们用对象 A 代表“队列不空”这个条 件，那么线程 T1 需要调用 A.wait()。同理当“队列不空”这个条件满足时，线程 T2 需要 调用 A.notify() 来通知 A 等待队列中的一个线程，此时这个队列里面只有线程 T1。至于 notifyAll() 这个方法，它可以通知等待队列中的所有线程。

wait（）的正确姿势

对于 MESA 管程来说，有一个编程范式，就是需要在一个 while 循环里面调用 wait()。这个是 MESA 管程特有的。

1
2
3
while(条件不满足){
    wait();
}

Hasen 模型、Hoare 模型和 MESA 模型的一个核心区别就是当条件满足后，如何通知相关 线程。管程要求同一时刻只允许一个线程执行，那当线程 T2 的操作使线程 T1 等待的条件 满足时，T1 和 T2 究竟谁可以执行呢？ 1. Hasen 模型里面，要求 notify() 放在代码的最后，这样 T2 通知完 T1 后，T2 就结束 了，然后 T1 再执行，这样就能保证同一时刻只有一个线程执行。

  1. Hoare 模型里面，T2 通知完 T1 后，T2 阻塞，T1 马上执行；等 T1 执行完，再唤醒 T2，也能保证同一时刻只有一个线程执行。但是相比 Hasen 模型，T2 多了一次阻塞唤 醒操作。

  2. MESA 管程里面，T2 通知完 T1 后，T2 还是会接着执行，T1 并不立即执行，仅仅是从 条件变量的等待队列进到入口等待队列里面。这样做的好处是 notify() 不用放到代码的 最后，T2 也没有多余的阻塞唤醒操作。但是也有个副作用，就是当 T1 再次执行的时 候，可能曾经满足的条件，现在已经不满足了，所以需要以循环方式检验条件变量。

总结

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。