Java管程

管程主要为了解决并发领域的两大核心问题:互斥和同步
互斥:在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

在管程的发展史上,先后出现了三种不同的管程模型,分别是:Hasen模型、Hoare模型和MESA模型,其中MESA模型最为流行,在Java中也是参考了MESA模型.

MESA模型图如下所示


image.png

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。
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,如图,条件变量A和条件变量B分别都有自己的等待队列, 这里的条件变量以及条件变量等待队列就是为了解决线程同步的问题,既wait/notify/notifyAll或者await/signal/signalAll。

整个过程如下:

  1. 多个线程竞争入口的锁资源,假设线程T1最先获得锁,并执行代码。
  2. T1在执行过程中发现某个条件不满足,调用了A.wait(), 则T1会进入条件变量A下面的等待队列,此时会自动释放锁资源。
  3. 因为T1已经释放了锁,此时另外一个线程T2就有机会获得锁并执行代码。(之前可能已经在入口的等待队列中排队)
  4. T2执行了某个步骤之后,调用了A.notify()或者A.notifyAll(), 系统会唤醒条件变量A下面的等待队列里的一个或多个线程, 假设T1被唤醒了,则T1会重新进入最外面的入口等待队列。
  5. T2执行完毕,释放锁资源。
  6. T1在入口的等待队列里再次被唤醒,重新获得锁,因为T2通知的时间和T1真正执行之间会有时间差,并且这个时间差还是有可能会导致T1的条件不满足,所以接下来T1执行会有2种情况,1:条件满足,则继续执行wait后面的指令, 2:条件依然不满足,继续进入条件变量A下面的等待队列,等待下一次的notify通知
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Java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,但是内置的管程条件变量只能有1个

除了MESA模型,还有另外2种模型是Hasen模型和Hoare模型
Hasen模型: 要求notify()放在代码的最后,这样T2通知完T1后,T2也就结束了,然后T1再执行
Hoare模型: T2通知完T1后,T2阻塞,T1马上执行,等T1执行完,再唤醒T2, 相比较Hasen模型,T2多了一次阻塞唤醒操作
MESA模型:T2通知完T1后,T2接着执行,T1不会立即执行,仅仅是从条件变量的等待队列进入到入口等待队列。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

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