并发编程学习(8) —— 管程

什么是管程

在之前我提到过管程这一概念，那管程到底是什么呢？管程其实指的是管理共享变量以及管理共享变量的操作过程。

在并发领域中，最主要解决两个问题，第一个问题就是互斥，即同一时间只对一个共享变量继续操作。第二个问题就是同步，线程间如何通信、协调。

管程解决互斥

管程解决互斥问题相对简单，把共享变量以及共享变量的操作都封装在一个类中，如下图：

管程互斥模型图
当线程A和线程B需要获取共享变量count时，就需要调用get和set方法，而get和set方法则保证互斥性，保证每次只能有一个线程访问。

管程解决同步

对于同步问题，管程的实现方法有点复杂，我这里展示一下从https://time.geekbang.org/column/article/86089中摘下的MESA管程模型图，框里的表示被封装的变量以及它的操作方法，框表示封装：
在这里插入图片描述
我这里结合下医院就诊流程来描述该图：

病人先拿到号，并在医生门口等待叫号。（线程中则是在图中的入口等待队列等待获取锁）
等了许久，病人终于被医生叫到号，然后进入诊室准备就诊。（线程获取锁成功）
医生由于病人缺少体检报告而不能准确地查出病情，这时病人就被医生要求去做体检，这时病人需要去体检中心体检，病人就需要去体检中心领取体检单。（条件变量A可以想象成病人是否有体检单，如果没有，则去体检中心等待领取体检单。条件B也是同样的道理，缺少什么，就去哪条等待队列中等待）。
当病人拿到单子后就返回到医生诊室门口等待。（即是图上的入口等待队列）

有一点需要注意的是，当线程因条件不足而在等待队列中等待的时候就会释放锁，其它线程能够获取到锁，就像病人去拿体检报告的时候医生能够诊断其它病人。

用线程来描述的话就是：有两个线程A和B，线程A和线程B在入口等待队列中等待锁的获取，线程A加锁成功，但由于条件变量A不满足，则在条件变量A的等待队列中等待，若是条件变量B不满足，则在条件变量B的等待队列中等待（每个条件变量都有属于自己的等待队列），直到条件满足位置。当线程A等待的时候，会释放锁，线程B加锁成功。当调节变量A满足时，会通知等待队列中的线程，这里是线程A，线程A被告知条件满足后，会重新回到入口等待队列中等待。

整个流程就是这样，值得一提的是，线程A被告知条件满足指的是这一个时刻是满足的，并不能保证通知后下一次的校验还是满足。

说完理论，就要用代码来实现下，前面说到的等待-通知在JAVA中的方法就是wait()、notifyAll()、notify()。那么我们来弄一个阻塞队列，当队列满的时候，不允许入队，当出队操作，若队列为空，则不允许出队，直到队列不为空。如果出队成功，就通知入队中的等待队列。若入队成功，则通知出队的等待队列。代码实现如下：

public class BlockedQueue<T>{

    final Lock lock = new ReentrantLock();

    // 队列不空
    final Condition notEmpty = lock.newCondition();

    // 队列不满
    final Condition notFull = lock.newCondition();

    void inEq(T x){
        lock.lock();
        try{
            while(/*"队列已满*/){
                // 等待队列不满
                notFull.await();
            }
            // 队列不满，则通知等待队列中的线程
            notFull.signalAll();
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    void outEq(){
        lock.lock();
        try{
            while(/*队列为空*/){
                // 等待队列不为空
                notEmpty.await();
            }
            // 队列不为空，则通知等待队列中的线程
            notEmpty.signalAll();
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

里面的await()语义其实和wait()一样，signalAll即notifyAll，signal即notify。这时候可能有人会有疑问，为什么不用signal而是用signalAll？因为signal只会随机通知一个线程，这会可能造成线程“饿死”，也就是说有些线程永远不会被通知到，而使用signalAll则所有的线程都被通知，因此如果不是特别需要，就尽量用notifyAll或signalAll。