摘要：語言在之前，提供的唯一的并發(fā)原語就是管程，而且之后提供的并發(fā)包，也是以管程技術(shù)為基礎(chǔ)的。但是管程更容易使用，所以選擇了管程。線程進(jìn)入條件變量的等待隊(duì)列后，是允許其他線程進(jìn)入管程的。并發(fā)編程里兩大核心問題互斥和同步，都可以由管程來幫你解決。

并發(fā)編程這個(gè)技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展了半個(gè)世紀(jì)了。有沒有一種核心技術(shù)可以很方便地解決我們的并發(fā)問題呢？這個(gè)問題, 我會(huì)選擇 Monitor(管程)技術(shù)。
Java 語言在 1.5 之前，提供的唯一的并發(fā)原語就是管程，而且 1.5 之后提供的 SDK 并發(fā)包，也是以管程技術(shù)為基礎(chǔ)的。除此之外，C/C++、C# 等高級(jí)語言也都支持管程。

操作系統(tǒng)原理課程告訴我們，用信號(hào)量能解決所有并發(fā)問題。但是為什么 Java 在 1.5 之前僅僅提供了 synchronized 關(guān)鍵字及 wait()、notify()、notifyAll() 這三個(gè)看似從天而降的方法？當(dāng)然這里因?yàn)?Java 采用的是管程技術(shù)，synchronized 關(guān)鍵字及 wait()、notify()、notifyAll() 這三個(gè)方法都是管程的組成部分。并且

管程和信號(hào)量是等價(jià)的，所謂等價(jià)指的是用管程能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)量，也能用信號(hào)量實(shí)現(xiàn)管程。

但是管程更容易使用，所以 Java 選擇了管程。

管程，對應(yīng)的英文是 Monitor，很多 Java 領(lǐng)域的同學(xué)都喜歡將其翻譯成“監(jiān)視器”，這是直譯。操作系統(tǒng)領(lǐng)域一般都翻譯成“管程”，這個(gè)是意譯，在這里我更傾向于使用“管程”。

管程，指的是管理共享變量以及對共享變量的操作過程，讓他們支持并發(fā)。

翻譯為 Java 領(lǐng)域的語言，就是管理類的成員變量和成員方法，讓這個(gè)類是線程安全的。那管程是怎么管的呢？

在管程的發(fā)展史上，先后出現(xiàn)過三種不同的管程模型，分別是：Hasen 模型、Hoare 模型和 MESA 模型。其中，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的是 MESA 模型，并且 Java 管程的實(shí)現(xiàn)參考的也是 MESA 模型。所以我們重點(diǎn)介紹一下 MESA 模型。

在并發(fā)編程領(lǐng)域，有兩大核心問題：
一個(gè)是互斥，即同一時(shí)刻只允許一個(gè)線程訪問共享資源；
另一個(gè)是同步，即線程之間如何通信、協(xié)作。這兩大問題，管程都是能夠解決的。

我們先來看看管程是如何解決互斥問題的。

管程解決互斥問題的思路很簡單，就是將共享變量及其對共享變量的操作統(tǒng)一封裝起來。在下圖中，管程 X 將共享變量 queue 這個(gè)隊(duì)列和相關(guān)的操作入隊(duì) enq()、出隊(duì) deq() 都封裝起來了；線程 A 和線程 B 如果想訪問共享變量 queue，只能通過調(diào)用管程提供的 enq()、deq() 方法來實(shí)現(xiàn)；enq()、deq() 保證互斥性，只允許一個(gè)線程進(jìn)入管程。從中可以看出，管程模型和面向?qū)ο蟾叨绕鹾系摹６以谇懊嬲鹿?jié)介紹的互斥鎖用法，其背后的模型其實(shí)就是它。

管程模型的代碼化語義

那管程如何解決線程間的同步問題的。

這個(gè)就比較復(fù)雜了，我們來看下 MESA 管程模型示意圖，它詳細(xì)描述了 MESA 模型的主要組成部分。

在管程模型里，共享變量和對共享變量的操作是被封裝起來的，圖中最外層的框就代表封裝的意思。框的上面只有一個(gè)入口，并且在入口旁邊還有一個(gè)入口等待隊(duì)列。當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)試圖進(jìn)入管程內(nèi)部時(shí)，只允許一個(gè)線程進(jìn)入，其他線程則在入口等待隊(duì)列中等待。

管程里還引入了條件變量的概念，而且每個(gè)條件變量都對應(yīng)有一個(gè)等待隊(duì)列，如下圖，條件變量 A 和條件變量 B 分別都有自己的等待隊(duì)列。

MESA 管程模型圖

那條件變量和等待隊(duì)列的作用是什么呢？其實(shí)就是解決線程同步問題。你也可以結(jié)合上面提到的入隊(duì)出隊(duì)例子加深一下理解。

其他關(guān)于管程的定義，加深我們的理解

管程是定義了一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和能為并發(fā)所執(zhí)行的一組操作，這組操作能夠進(jìn)行同步和改變管程中的數(shù)據(jù)。這相當(dāng)于對臨界資源的同步操作都集中進(jìn)行管理，凡是要訪問臨界資源的進(jìn)程或線程，都必須先通過管程，由管程的這套機(jī)制來實(shí)現(xiàn)多進(jìn)程或線程對同一個(gè)臨界資源的互斥訪問和使用。管程的同步主要通過condition類型的變量（條件變量），條件變量可執(zhí)行操作wait()和signal()。管程一般是由語言編譯器進(jìn)行封裝，體現(xiàn)出OOP中的封裝思想，也如老師所講的，管程模型和面向?qū)ο蟾叨绕鹾系摹?/pre>
假設(shè)有個(gè)線程 T1 執(zhí)行出隊(duì)操作，不過需要注意的是執(zhí)行出隊(duì)操作，有個(gè)前提條件，就是隊(duì)列不能是空的，而隊(duì)列不空這個(gè)前提條件就是管程里的條件變量。 如果線程 T1 進(jìn)入管程后恰好發(fā)現(xiàn)隊(duì)列是空的，那怎么辦呢？等待啊，去哪里等呢？就去條件變量對應(yīng)的等待隊(duì)列里面等。此時(shí)線程 T1 就去“隊(duì)列不空”這個(gè)條件變量的等待隊(duì)列中等待。線程 T1 進(jìn)入條件變量的等待隊(duì)列后，是允許其他線程進(jìn)入管程的。
再假設(shè)之后另外一個(gè)線程 T2 執(zhí)行入隊(duì)操作，入隊(duì)操作執(zhí)行成功之后，“隊(duì)列不空”這個(gè)條件對于線程 T1 來說已經(jīng)滿足了，此時(shí)線程 T2 要通知 T1，告訴它需要的條件已經(jīng)滿足了。當(dāng)線程 T1 得到通知后，會(huì)從等待隊(duì)列里面出來，但是出來之后不是馬上執(zhí)行，而是重新進(jìn)入到入口等待隊(duì)列里面。
條件變量及其等待隊(duì)列我們講清楚了，下面再說說 wait()、notify()、notifyAll() 這三個(gè)操作。前面提到線程 T1 發(fā)現(xiàn)“隊(duì)列不空”這個(gè)條件不滿足，需要進(jìn)到對應(yīng)的等待隊(duì)列里等待。這個(gè)過程就是通過調(diào)用 wait() 來實(shí)現(xiàn)的。如果我們用對象 A 代表“隊(duì)列不空”這個(gè)條件，那么線程 T1 需要調(diào)用 A.wait()。同理當(dāng)“隊(duì)列不空”這個(gè)條件滿足時(shí)，線程 T2 需要調(diào)用 A.notify() 來通知 A 等待隊(duì)列中的一個(gè)線程，此時(shí)這個(gè)隊(duì)列里面只有線程 T1。至于 notifyAll() 這個(gè)方法，它可以通知等待隊(duì)列中的所有線程。
下面的代碼實(shí)現(xiàn)的是一個(gè)阻塞隊(duì)列，阻塞隊(duì)列有兩個(gè)操作分別是入隊(duì)和出隊(duì)，這兩個(gè)方法都是先獲取互斥鎖，類比管程模型中的入口。

對于入隊(duì)操作，如果隊(duì)列已滿，就需要等待直到隊(duì)列不滿，所以這里用了notFull.await();

對于出隊(duì)操作，如果隊(duì)列為空，就需要等待直到隊(duì)列不空，所以就用了notEmpty.await();

如果入隊(duì)成功，那么隊(duì)列就不空了，就需要通知條件變量：隊(duì)列不空notEmpty對應(yīng)的等待隊(duì)列。
如果出隊(duì)成功，那就隊(duì)列就不滿了，就需要通知條件變量：隊(duì)列不滿notFull對應(yīng)的等待隊(duì)列。

public class BlockedQueue{
  final Lock lock =
    new ReentrantLock();
  // 條件變量：隊(duì)列不滿  
  final Condition notFull =
    lock.newCondition();
  // 條件變量：隊(duì)列不空  
  final Condition notEmpty =
    lock.newCondition();

  // 入隊(duì)
  void enq(T x) {
    lock.lock();
    try {
      while (隊(duì)列已滿){
        // 等待隊(duì)列不滿 
        notFull.await();
      }  
      // 省略入隊(duì)操作...
      // 入隊(duì)后, 通知可出隊(duì)
      notEmpty.signal();
    }finally {
      lock.unlock();
    }
  }
  // 出隊(duì)
  void deq(){
    lock.lock();
    try {
      while (隊(duì)列已空){
        // 等待隊(duì)列不空
        notEmpty.await();
      }
      // 省略出隊(duì)操作...
      // 出隊(duì)后，通知可入隊(duì)
      notFull.signal();
    }finally {
      lock.unlock();
    }  
  }
}

在這段示例代碼中，我們用了 Java 并發(fā)包里面的 Lock 和 Condition，這個(gè)例子只是先讓你明白條件變量及其等待隊(duì)列是怎么回事。
注意這里只是舉個(gè)例子，這里的行為只是跟管程類似，但并不是具體實(shí)現(xiàn)，這里拿來舉個(gè)例子。
wait() 的正確姿勢
但是有一點(diǎn)，需要再次提醒，對于 MESA 管程來說，有一個(gè)編程范式，就是需要在一個(gè) while 循環(huán)里面調(diào)用 wait()。這個(gè)是 MESA 管程特有的
while(條件不滿足) {
  wait();
}

Hasen 模型、Hoare 模型和 MESA 模型的一個(gè)核心區(qū)別就是當(dāng)條件滿足后，如何通知相關(guān)線程。管程要求同一時(shí)刻只允許一個(gè)線程執(zhí)行，那當(dāng)線程 T2 的操作使線程 T1 等待的條件滿足時(shí)，T1 和 T2 究竟誰可以執(zhí)行呢？

Hasen 模型里面，要求 notify() 放在代碼的最后，這樣 T2 通知完 T1 后，T2 就結(jié)束了，然后 T1 再執(zhí)行，這樣就能保證同一時(shí)刻只有一個(gè)線程執(zhí)行。
Hoare 模型里面，T2 通知完 T1 后，T2 阻塞，T1 馬上執(zhí)行；等 T1 執(zhí)行完，再喚醒 T2，也能保證同一時(shí)刻只有一個(gè)線程執(zhí)行。但是相比 Hasen 模型，T2 多了一次阻塞喚醒操作。
MESA 管程里面，T2 通知完 T1 后，T2 還是會(huì)接著執(zhí)行，T1 并不立即執(zhí)行，僅僅是從條件變量的等待隊(duì)列進(jìn)到入口等待隊(duì)列里面。這樣做的好處是 notify() 不用放到代碼的最后，T2 也沒有多余的阻塞喚醒操作。但是也有個(gè)副作用，就是當(dāng) T1 再次執(zhí)行的時(shí)候，可能曾經(jīng)滿足的條件，現(xiàn)在已經(jīng)不滿足了，所以需要以循環(huán)方式檢驗(yàn)條件變量。

notify() 何時(shí)可以使用
還有一個(gè)需要注意的地方，就是 notify() 和 notifyAll() 的使用，前面章節(jié)，我曾經(jīng)介紹過，
除非經(jīng)過深思熟慮，否則盡量使用 notifyAll()。那什么時(shí)候可以使用 notify() 呢？
需要滿足以下三個(gè)條件：

所有等待線程擁有相同的等待條件；
所有等待線程被喚醒后，執(zhí)行相同的操作；
只需要喚醒一個(gè)線程。

比如上面阻塞隊(duì)列的例子中，對于“隊(duì)列不滿”這個(gè)條件變量，其阻塞隊(duì)列里的線程都是在等待“隊(duì)列不滿”這個(gè)條件，反映在代碼里就是下面這 3 行代碼。對所有等待線程來說，都是執(zhí)行這 3 行代碼，重點(diǎn)是 while 里面的等待條件是完全相同的
while (隊(duì)列已滿){
  // 等待隊(duì)列不滿
  notFull.await();
}

所有等待線程被喚醒后執(zhí)行的操作也是相同的，都是下面這幾行：
// 省略入隊(duì)操作...
// 入隊(duì)后, 通知可出隊(duì)
notEmpty.signal();

同時(shí)也滿足第 3 條，只需要喚醒一個(gè)線程。所以上面阻塞隊(duì)列的代碼，使用 signal() 是可以的。
總結(jié)
Java 參考了 MESA 模型，語言內(nèi)置的管程（synchronized）對 MESA 模型進(jìn)行了精簡。MESA 模型中，條件變量可以有多個(gè)，Java 語言內(nèi)置的管程里只有一個(gè)條件變量。具體如下圖所示。

Java 內(nèi)置的管程方案（synchronized）使用簡單，synchronized 關(guān)鍵字修飾的代碼塊，在編譯期會(huì)自動(dòng)生成相關(guān)加鎖和解鎖的代碼，但是僅支持一個(gè)條件變量；而 Java SDK 并發(fā)包實(shí)現(xiàn)的管程支持多個(gè)條件變量，不過并發(fā)包里的鎖，需要開發(fā)人員自己進(jìn)行加鎖和解鎖操作。
并發(fā)編程里兩大核心問題——互斥和同步，都可以由管程來幫你解決。學(xué)好管程，理論上所有的并發(fā)問題你都可以解決，并且很多并發(fā)工具類底層都是管程實(shí)現(xiàn)的，所以學(xué)好管程，就是相當(dāng)于掌握了一把并發(fā)編程的萬能鑰匙。