管程(Moniter): 并发编程的基本心法

发布于 2022-8-5 17:42
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在吃透 Syncchronized 原理 中介绍了关于 Synchronize的实现原理,无论是同步方法还是同步代码块,无论是ACC_SYNCHRONIZED还是monitorenter、monitorexit都是基于Monitor实现的,那么这篇来介绍下什么是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,让它们支持并发。翻译为 Java 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。

是一种程序结构,结构内的多个子程序(对象或模块)形成的多个工作线程互斥访问共享资源。这些共享资源一般是硬件设备或一群变量。管程实现了在一个时间点,最多只有一个线程在执行管程的某个子程序。与那些通过修改数据结构实现互斥访问的并发程序设计相比,管程实现很大程度上简化了程序设计。管程提供了一种机制,线程可以临时放弃互斥访问,等待某些条件得到满足后,重新获得执行权恢复它的互斥访问。

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。

在并发领域,有两个核心问题:一个是互斥,一个是同步。管程就是来解决这两个问题的。

 ● 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。


管程互斥与同步实现
它的思路很简单,将共享变量以及对共享变量的操作统一封装起来。如下图所示,管程 A 将共享变量 data 和相关的操作入队enq()、出队deq() 封装起来。线程 A 和线程 B想访问共享变量 data ,只能通过调用管程提供的 enq() 和 deq() 。当然前提是 enq()、deq() 保证互斥性,只允许一个线程进入管程。是不是很有面向对象的感觉。

管程(Moniter): 并发编程的基本心法-开源基础软件社区

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。

管程(Moniter): 并发编程的基本心法-开源基础软件社区

通过条件通知去唤醒等待队列的线程竞争 锁资源。

我们通过一段代码说明,实现一个阻塞队列,队列分别有出队与入队,都是要先获取互斥锁,就像管程中的入口。

  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。
publicclass 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 (队列已满){
        // 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。管程通过条件队列通信实现了同步,为我们 Java中的并发编程提供了基本支持。

 

 

 

文章转载自公众号:码哥字节

已于2022-8-5 17:42:36修改
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