操作系统使用信号量解决并发问题,Java选择使用管程(Monitor)解决并发问题。信号量和管程是等价的,可以使用信号量实现管程,也可以使用管程实现信号量。
管程就是指管理共享变量,以及对共享变量的相关操作。具体到 Java 语言中,管程就是管理类的成员变量和方法,让这个类是线程安全的。管程的发展史中,先后出现过三种管程模型,Hasen 模型、Hoare 模型和 MESA 模型,Java 使用的是 MESA 模型。
我们用管程模型主要是解决并发编程中的两个核心问题,互斥和同步。互斥是指同一时刻只允许一个线程访问共享资源,同步则是指线程之间如何通信、写作。
那么,Java 所采用的 MESA 模型是如何解决互斥和同步问题的呢?
MESA 解决互斥问题
管程模型解决互斥问题的方法是:将共享变量及对共享变量的操作统一封装起来。
如下图所示,管程 X 将共享变量 queue,及其入队出队操作 enq() 和 dep() 封装起来。线程 A 和线程 B 想要访问共享变量 queue,就需要通过 enq() 和 deq() 来实现,而 enq() 和 deq() 保证互斥,只允许一个线程进入管程。
MESA 解决同步问题
MESA 模型解决同步问题可以类比去医院就医。患者首先需要排队等待医生叫好,医生诊断被叫到号的患者。期间,患者如果需要进行其他辅助的检查,比如说排个 X 光,就需要去等待拍 X 光的医生叫好。患者拍完 X 光之后,再次回到上一个医生那里,等待医生再次诊断。
管程模型与看医生的流程类似,管程入口处有一个等待队列。当多个线程试图进入管程内部的时候,只允许一个线程进入,其他线程在等待队列中等待。就和看医生的时候排队一样。
管程中还有一个条件变量的概念,每个条件变量对应一个条件变量等待队列。比如说有一个条件变量 A,当执行线程 T1 时发现不满足条件变量 A,T1 就会进入条件变量 A 的等待队列中。就像去看医生,医生让你先去排个 X 光,就要去拍 X 光的地方排队。
当执行线程 T2 时发现满足条件变量 A,就会唤醒条件变量 A 等待中的线程 T1,线程 T1 就会再次进入到入口等待队列。就像拍完 X 光的人,再去看医生。
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 (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();
}
}
}
- 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();。
- 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();。
- 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。
- 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。
synchronized 单条件变量的管程模型
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。
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。
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