Java中的管程

并发编程这个技术领域已经发展了半个世纪了,相关的理论和技术纷繁复杂。那有没有一种核心技术可以很方便地解决我们的并发问题呢?这个问题如果让我选择,我一定会选择管程技术。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

不知道你是否曾思考过这个问题:为什么 Java 在 1.5 之前仅仅提供了 synchronized 关键字及 wait()、notify()、notifyAll() 这三个看似从天而降的方法?在刚接触 Java 的时候,我以为它会提供信号量这种编程原语,因为操作系统原理课程告诉我,用信号量能解决所有并发问题,结果我发现不是。后来我找到了原因:Java 采用的是管程技术,synchronized 关键字及 wait()、notify()、notifyAll() 这三个方法都是管程的组成部分。而管程和信号量是等价的,所谓等价指的是用管程能够实现信号量,也能用信号量实现管程。但是管程利用OOP的封装特性解决了信号量在工程实践上的复杂性问题,因此java采用管理机制。

管程,对应的英文是 Monitor,很多 Java 领域的同学都喜欢将其翻译成“监视器”,这是直译。操作系统领域一般都翻译成“管程”,这个是意译,而我自己也更倾向于使用“管程”。所谓管程,指的是管理共享变量以及对其操作过程,让它们支持并发访问。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

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,并且 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 MESA 模型。

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。

管程处理互斥

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。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。互斥依赖于锁,Java中锁机制的实现很复杂,大家可自行百度。

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管程处理同步

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。这样我们就能保证对共享变量的互斥访问

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。

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​ MESA 管程模型

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。当进入管程的线程发现关注的变量不满足的时则进入等待队了,等关注的变量满足时则从等待队列中出来,继续执行。因此,管程的特点是一条件、两队列。同时我们也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 在Stack上执行pop操作,不过需要注意pop前提条件是Stack不能为空,而Stack不空这个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Stack是空的,那么就去该条件变量对应的等待队列里面等。此时线程 T1 就去“Stack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push操作,push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。为什么不是马上执行?因为我们的大前提时任何时候只能有一个线程进入管程,这是MESA模式的特点,具体可参考链接1

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“Stack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。

这里我还是来一段代码再次说明一下吧。下面的代码实现的是一个阻塞队列,阻塞队列有两个操作分别是入队和出队,这两个方法都是先获取互斥锁(锁操作先先忽略),类比管程模型中的入口。

  1. 对于入队操作,如果队列已满,就需要等待直到队列不满,所以这里用了notFull.await()

  2. 对于出队操作,如果队列为空,就需要等待直到队列不空,所以就用了notEmpty.await()

  3. 如果入队成功,那么队列就不空了,就需要通知条件变量:队列不空notEmpty对应的等待队列

  4. 如果出队成功,那就队列就不满了,就需要通知条件变量:队列不满notFull对应的等待队列

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 (Stack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();
		}
	}
}

在这段示例代码中,我们用了 Java 并发包里面的 Lock 和 Condition,如果你看着吃力,也没关系,后面我们还会详细介绍,这个例子只是先让你明白条件变量及其等待队列是怎么回事。需要注意的是:await() 和前面我们提到的 wait() 语义是一样的;signal() 和前面我们提到的 notify() 语义是一样的。 如果你对信号量还有印象的话,你会发现这其实就是PV操作的一种表现形式。

MESA中wait的正确姿势

有一点需要再次提醒,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

while(条件不满足) {
wait();
}

Hasen 、Hoare 和 MESA 模型区别

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。
  2. 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。
  3. 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。

这三种方式虽然有差别,但都可以解决线程见同步问题

notify() 何时可以使用

还有一个需要注意的地方,就是 notify() 和 notifyAll() 的使用,前面章节,我曾经介绍过,除非经过深思熟虑,否则尽量使用 notifyAll()。那什么时候可以使用 notify() 呢?需要满足以下三个条件:

  1. 所有等待线程拥有相同的等待条件;
  2. 所有等待线程被唤醒后,执行相同的操作;
  3. 只需要唤醒一个线程。

比如上面阻塞队列的例子中,对于“队列不满”这个条件变量,其阻塞队列里的线程都是在等待“队列不满”这个条件,反映在代码里就是下面这 3 行代码。对所有等待线程来说,都是执行这 3 行代码,重点是 while 里面的等待条件是完全相同的

while (队列已满){
// 等待队列不满
notFull.await();
}

所有等待线程被唤醒后执行的操作也是相同的,都是下面这几行:

// 省略入队操作...
// 入队后, 通知可出队
notEmpty.signal();

同时也满足第 3 条,只需要唤醒一个线程。所以上面阻塞队列的代码,使用 signal() 是可以的。

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。

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​ Java 中的管程示意图

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。

并发编程里两大核心问题——互斥和同步,都可以由管程来帮你解决。学好管程,理论上所有的并发问题你都可以解决,并且很多并发工具类底层都是管程实现的,所以学好管程,就是相当于掌握了一把并发编程的万能钥匙。

参考

https://www.cnblogs.com/kkkkkk/p/5543799.html

posted @ 2019-05-19 22:46  被罚站的树  阅读(6599)  评论(2编辑  收藏  举报