Java管程的概念和实现原理

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管程的概念

在操作系统的概念里，monitor（管程）是为了解决使用信号量同步容易出错的问题，而提出的一种高级同步原语。monitor是编程语言的组成部分，进入monitor时的互斥由编译器来负责，写monitor的人无需关心编译器是如何实现互斥的，只需要将所有临界区转换成monitor即可。尽管管程提供了一种实现互斥的简单方式，但是还不够，还需要一种办法使得进程/线程在无法继续执行时被阻塞，解决的方法是引入条件变量以及两个相关的操作：wait和signal。Java是真正支持管程的编程语言之一。

Java中的monitor支持两种类型的线程同步: 互斥锁同步和协作同步。在Java虚拟机中通过object locks支持的互斥锁，允许多个线程独立地工作在共享数据上，而不会互相干扰（在使用上即synchronized关键字，这里提到的是虚拟机层原理）。Java虚拟机通过Object类的 wait 和 notify 方法支持协作，使线程能够朝着共同的目标协同工作。

互斥锁同步

一个monitor就像一栋楼里面的一个特殊房间，在同一时间内只能被一个线程所占有，这个房间通常包含一些数据，从线程进入这个房间到离开这个房间，它可以访问房间里的任何数据。

• 进入这栋楼，称为entering the monitor。

• 进入这个特殊房间，称为acquiring the monitor。

• 占有这个特殊房间，称为owning the monitor。

• 离开这个特殊房间，称为releasing the monitor。

• 离开这栋楼，称为exiting the monitor。

除了与数据关联之外，一个monitor还被关联了很多的代码，称为monitor regions。monitor regions包含一段原子的，不可分割的执行的代码。

当线程到达monitor regions的开始位置时，它将被放置到所关联monitor的一个 entry set中。 entry set类似于monitor大楼的前门廊。如果在entry set中没有其他线程在等待，且当前没有其他线程拥有monitor，则线程获取monitor并继续执行monitor regions内的代码，执行完成后，它退出并释放monitor。

如果一个线程到达monitor regions的开始位置时，该monitor已经被另一个线程所拥有，那么新到达的线程必须在 entry set中等待，只有当拥有者退出monitor后，新到达的线程必须与同样在entry set中等待的其他线程竞争，只有一个线程可以胜出并获得monitor。

以上讲述的是互斥锁同步。互斥锁同步是指由多个线程互斥地执行monitor regions，在任何时候，只有一个线程可以执行特定monitor的monitor regions。一般来说，只有当多个线程共享数据或其他资源时，互斥锁才是重要的。如果两个线程不使用任何公共数据或资源，它们通常不会互相干扰，也不需要以互斥的方式执行。

协作同步

当一个线程需要某些数据处于特定状态，而另一个线程负责将数据转换到该状态时，协作非常重要。例如，一个“写线程”负责填充的缓冲区，一个“读线程”从缓冲区取走数据。如果读线程发现缓冲区为空，则必须等待写线程填充数据。如果写线程发现缓冲区满了，则必须等待读线程取走数据。

Java 虚拟机使用的monitor的形式称为"Wait and Notify" monitor，也可以称为"Signal and Continue" monitor，在这种monitor形式中，当前拥有monitor的线程可以通过执行 wait 命令暂停（suspended）自己，它释放monitor并进入一个wait set。线程将在wait set中保持暂停状态，直到另一个线程在monitor内执行notify命令后。当一个线程执行一个 notify 时，它继续拥有monitor，直到它通过执行一个wait命令，或者执行完成monitor regions内的代码来释放monitor。通知线程释放monitor之后，等待线程将会复活（resurrected）并可以重新获取monitor。

图中包含3个区域，中心区域包含一个活跃的线程（正在执行的），该线程拥有monitor，可以执行monitor regions内的代码，称之为monitor's owner，左边是一个 entry set，右边是一个wait set。图中有5扇门，线程必须通过这些门与monitor交互。

当一个线程执行到monitor regions开始的地方时，它通过最左边的1号门进入 entry set，如果当前没有线程拥有monitor并且entry set中只有这一个线程，该线程会立即通过2号门成为monitor's owner，该线程可以继续执行monitor regions内的代码。如果当前有其他线程拥有monitor，该线程必须在entry set中等待，这个区域中可能有很多个其他的线程在等待。

图中 entry set中有3个挂起的线程，wait set中有4个，只有当monitor's owner释放了monitor后，这些线程才有机会得到执行。monitor's owner释放monitor有2种方式：

1. 执行完成区域内的代码，通过5号门退出。

2. 执行wait命令，进入wait set。

如果monitor's owner在释放monitor之前没有执行notify命令，那么只有entry set中的线程会通过竞争来获得monitor。如果执行了notify，那么entry set中的线程将不得不与wait set中线程竞争。如果一个线程从entry set中竞争获胜，它通过2号门，成为monitor的新主人。如果wait set中的一个线程竞争获胜，它通过4号门重新获得monitor。注意，3号门和4号门是线程进入或退出wait set的唯一方式，线程只有在当前拥有monitor的情况下才能执行 wait命令，而且它不能自动的离开wait set并再次成为monitor's owner。

在Java虚拟机中，线程可以选择在执行wait命令时指定一个timeout。如果一个线程指定了timeout，如果在timeout到期之前没有其他线程执行通知，那么等待的线程会收到来自虚拟机的自动通知。timeout过期后，即使没有其他线程执行显式通知，等待线程也会恢复。Java虚拟机提供了两种通知命令: “ notify”和“ notify all”。notify命令可以从wait set中任意选择一个线程，并将其标记为恢复。notify all命令标记当前处于wait set中的所有线程恢复。

Java中Object类声明了5个方法（wait和notify），使程序员能够使用Java虚拟机对同步协调方面的支持。这些方法被声明为 public 和 final，因此它们被所有类继承，只能从同步的方法或语句中调用它们。换句话说，在调用这些方法中的任何一个之前，必须已经获取与对象关联的锁。

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