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Java并發(fā)-管程

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摘要：那并發(fā)里面的理論和模型是什么呢那便要從操作系統(tǒng)中解決并發(fā)問(wèn)題的一種模型管程講起了。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程使用完管程后，它必須釋放管程并喚醒等待管程的某一個(gè)進(jìn)程?？偨Y(jié)在并發(fā)編程領(lǐng)域，有兩大核心問(wèn)題互斥和同步，而這兩個(gè)問(wèn)題，管程模型都可以解決。

為什么需要了解管程

Java并發(fā)編程是Java中高級(jí)程序員必備的一項(xiàng)技能，但是真正學(xué)明白并發(fā)編程也并非易事。正如Java并發(fā)編程實(shí)踐中的一句話(huà)“編寫(xiě)正確的程序并不容易，而編寫(xiě)正確的并發(fā)程序就更難了”，Java里并發(fā)的知識(shí)很瑣碎，看懂難，會(huì)用更難。然后，我們常常一頭扎進(jìn)了Java并發(fā)編程技術(shù)的細(xì)節(jié)，卻發(fā)現(xiàn)剪不斷理還亂，終不得要領(lǐng)。這是因?yàn)槲覀兒雎粤思夹g(shù)背后的理論和模型，而理論和模型往往比具體的技術(shù)更為重要。那Java并發(fā)里面的理論和模型是什么呢？那便要從操作系統(tǒng)中解決并發(fā)問(wèn)題的一種模型管程講起了。

什么是管程

管程是將共享變量及對(duì)共享變量的操作封裝起來(lái)的管理程序。操作系統(tǒng)中的描述為：代表共享資源的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以及由對(duì)該共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)施操作的一組過(guò)程所組成的資源管理程序，共同構(gòu)成了一個(gè)操作系統(tǒng)的資源管理模塊，我們稱(chēng)之為管程。管程的示意圖如下：

管程如何解決互斥

管程內(nèi)部的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，僅能被管程內(nèi)部的過(guò)程所訪(fǎng)問(wèn)，任何管程外的過(guò)程都不能訪(fǎng)問(wèn)它；反之，局部于管程內(nèi)部的過(guò)程也僅能訪(fǎng)問(wèn)管程內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。由此可見(jiàn)，管程相當(dāng)于圍墻，它把共享變量和對(duì)它進(jìn)行操作的若干過(guò)程圍了起來(lái)，所有進(jìn)程要訪(fǎng)問(wèn)臨界資源時(shí)，都必須經(jīng)過(guò)管程(相當(dāng)于通過(guò)圍墻的門(mén))才能進(jìn)入，而管程每次只準(zhǔn)許一個(gè)進(jìn)程進(jìn)入管程，從而實(shí)現(xiàn)了進(jìn)程互斥。即當(dāng)一個(gè)進(jìn)程使用管程時(shí)，另一個(gè)進(jìn)程必須等待。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程使用完管程后，它必須釋放管程并喚醒等待管程的某一個(gè)進(jìn)程。

管程如何解決同步

管程里引入了條件變量的概念來(lái)解決同步問(wèn)題，而且每個(gè)條件變量都對(duì)應(yīng)有一個(gè)等待隊(duì)列，條件變量對(duì)應(yīng)的3個(gè)方法為wait()、notify()、notifyAll()。示意圖如下：

線(xiàn)程先在入口等待隊(duì)列排隊(duì)進(jìn)入管程，這確保了互斥訪(fǎng)問(wèn)管程。當(dāng)線(xiàn)程進(jìn)入管程后，如果發(fā)現(xiàn)條件變量A不滿(mǎn)足，則需要調(diào)用A.wait()使線(xiàn)程進(jìn)入A的條件變量等待隊(duì)列，此時(shí)其他在入口等待隊(duì)列的線(xiàn)程可以繼續(xù)進(jìn)入管程。如果當(dāng)條件變量A滿(mǎn)足條件時(shí)，則調(diào)用A.notify()或則A.notifyAll()（notify是通知等待隊(duì)列中的一個(gè)線(xiàn)程，notifyAll是通知所有線(xiàn)程）方法通知在A條件變量等待隊(duì)列中的線(xiàn)程，然后該線(xiàn)程會(huì)重新進(jìn)入入口等待隊(duì)列中排隊(duì)進(jìn)入管程。如此便實(shí)現(xiàn)了線(xiàn)程間的同步。
這與就醫(yī)流程相似，患者掛了號(hào)后，然后就到就診門(mén)口分診，等待叫號(hào)（類(lèi)似入口等待隊(duì)列）；當(dāng)叫到自己的號(hào)時(shí)，患者就可以找大夫就診了，就診過(guò)程中，大夫開(kāi)了個(gè)驗(yàn)血的單子（類(lèi)似條件等待隊(duì)列）那現(xiàn)在就需求去驗(yàn)血的隊(duì)伍里排隊(duì)，同時(shí)醫(yī)生可以給其他患者診治；等患者做完檢查，拿到檢查報(bào)告后需要重新排隊(duì)分診（線(xiàn)程重新進(jìn)入入口等待隊(duì)列）。

總結(jié)

在并發(fā)編程領(lǐng)域，有兩大核心問(wèn)題：互斥和同步，而這兩個(gè)問(wèn)題，管程模型都可以解決。管程模型中利用入口等待隊(duì)列，保證同一時(shí)間只有一個(gè)線(xiàn)程進(jìn)入管程，實(shí)現(xiàn)線(xiàn)程間的互斥；利用條件變量及條件變量等待隊(duì)列實(shí)現(xiàn)線(xiàn)程間的同步。Java中的synchronized以及l(fā)ock都是管程模型的一種實(shí)現(xiàn)，了解了管程模型后，對(duì)后續(xù)深入學(xué)習(xí)Java并發(fā)大有好處。

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