08 管程:并发编程的万能钥匙

并发编程这个技术领域已经发展了半个世纪了,相关的理论和技术纷繁复杂。那有没有一种核心技术可以很方便地解决我们的并发问题呢?这个问题如果让我选择,我一定会选择管程技术。Java语言在1.5之前,提供的唯一的并发原语就是管程,而且1.5之后提供的SDK并发包,也是以管程技术为基础的。除此之外,C/C++、C#等高级语言也都支持管程。

可以这么说,管程就是一把解决并发问题的万能钥匙。

什么是管程

不知道你是否曾思考过这个问题:为什么Java在1.5之前仅仅提供了synchronized关键字及wait()、notify()、notifyAll()这三个看似从天而降的方法?在刚接触Java的时候,我以为它会提供信号量这种编程原语,因为操作系统原理课程告诉我,用信号量能解决所有并发问题,结果我发现不是。后来我找到了原因:Java采用的是管程技术,synchronized关键字及wait()、notify()、notifyAll()这三个方法都是管程的组成部分。而管程和信号量是等价的,所谓等价指的是用管程能够实现信号量,也能用信号量实现管程。但是管程更容易使用,所以Java选择了管程。

管程,对应的英文是Monitor,很多Java领域的同学都喜欢将其翻译成“监视器”,这是直译。操作系统领域一般都翻译成“管程”,这个是意译,而我自己也更倾向于使用“管程”。

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,让他们支持并发。翻译为Java领域的语言,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。那管程是怎么管的呢?

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。

在并发编程领域,有两大核心问题:一个是互斥,即同一时刻只允许一个线程访问共享资源;另一个是同步,即线程之间如何通信、协作。这两大问题,管程都是能够解决的。

我们先来看看管程是如何解决互斥问题的。

管程解决互斥问题的思路很简单,就是将共享变量及其对共享变量的操作统一封装起来。假如我们要实现一个线程安全的阻塞队列,一个最直观的想法就是:将线程不安全的队列封装起来,对外提供线程安全的操作方法,例如入队操作和出队操作。

利用管程,可以快速实现这个直观的想法。在下图中,管程X将共享变量queue这个线程不安全的队列和相关的操作入队操作enq()、出队操作deq()都封装起来了;线程A和线程B如果想访问共享变量queue,只能通过调用管程提供的enq()、deq()方法来实现;enq()、deq()保证互斥性,只允许一个线程进入管程。

不知你有没有发现,管程模型和面向对象高度契合的。估计这也是Java选择管程的原因吧。而我在前面章节介绍的互斥锁用法,其背后的模型其实就是它。

那管程如何解决线程间的同步问题呢?

这个就比较复杂了,不过你可以借鉴一下我们曾经提到过的就医流程,它可以帮助你快速地理解这个问题。为进一步便于你理解,在下面,我展示了一幅MESA管程模型示意图,它详细描述了MESA模型的主要组成部分。

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。

条件变量条件变量等待队列的作用是什么呢?其实就是解决线程同步问题。你可以结合上面提到的阻塞队列的例子加深一下理解(阻塞队列的例子,是用管程来实现线程安全的阻塞队列,这个阻塞队列和管程内部的等待队列没有关系,本文中一定要注意阻塞队列和等待队列是不同的)。

假设有个线程T1执行阻塞队列的出队操作,执行出队操作,需要注意有个前提条件,就是阻塞队列不能是空的(空队列只能出Null值,是不允许的),阻塞队列不空这个前提条件对应的就是管程里的条件变量。 如果线程T1进入管程后恰好发现阻塞队列是空的,那怎么办呢?等待啊,去哪里等呢?就去条件变量对应的等待队列里面等。此时线程T1就去“队列不空”这个条件变量的等待队列中等待。这个过程类似于大夫发现你要去验个血,于是给你开了个验血的单子,你呢就去验血的队伍里排队。线程T1进入条件变量的等待队列后,是允许其他线程进入管程的。这和你去验血的时候,医生可以给其他患者诊治,道理都是一样的。

再假设之后另外一个线程T2执行阻塞队列的入队操作,入队操作执行成功之后,“阻塞队列不空”这个条件对于线程T1来说已经满足了,此时线程T2要通知T1,告诉它需要的条件已经满足了。当线程T1得到通知后,会从等待队列里面出来,但是出来之后不是马上执行,而是重新进入到入口等待队列里面。这个过程类似你验血完,回来找大夫,需要重新分诊。

条件变量及其等待队列我们讲清楚了,下面再说说wait()、notify()、notifyAll()这三个操作。前面提到线程T1发现“阻塞队列不空”这个条件不满足,需要进到对应的等待队列里等待。这个过程就是通过调用wait()来实现的。如果我们用对象A代表“阻塞队列不空”这个条件,那么线程T1需要调用A.wait()。同理当“阻塞队列不空”这个条件满足时,线程T2需要调用A.notify()来通知A等待队列中的一个线程,此时这个等待队列里面只有线程T1。至于notifyAll()这个方法,它可以通知等待队列中的所有线程。

这里我还是来一段代码再次说明一下吧。下面的代码用管程实现了一个线程安全的阻塞队列(再次强调:这个阻塞队列和管程内部的等待队列没关系,示例代码只是用管程来实现阻塞队列,而不是解释管程内部等待队列的实现原理)。阻塞队列有两个操作分别是入队和出队,这两个方法都是先获取互斥锁,类比管程模型中的入口。

  1. 对于阻塞队列的入队操作,如果阻塞队列已满,就需要等待直到阻塞队列不满,所以这里用了notFull.await();

  2. 对于阻塞出队操作,如果阻塞队列为空,就需要等待直到阻塞队列不空,所以就用了notEmpty.await();

  3. 如果入队成功,那么阻塞队列就不空了,就需要通知条件变量:阻塞队列不空notEmpty对应的等待队列。

  4. 如果出队成功,那就阻塞队列就不满了,就需要通知条件变量:阻塞队列不满notFull对应的等待队列。

    public class BlockedQueue { 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

wait()的正确姿势

但是有一点,需要再次提醒,对于MESA管程来说,有一个编程范式,就是需要在一个while循环里面调用wait()。这个是MESA管程特有的

while(条件不满足) {
  wait();
}

Hasen模型、Hoare模型和MESA模型的一个核心区别就是当条件满足后,如何通知相关线程。管程要求同一时刻只允许一个线程执行,那当线程T2的操作使线程T1等待的条件满足时,T1和T2究竟谁可以执行呢?

  1. Hasen模型里面,要求notify()放在代码的最后,这样T2通知完T1后,T2就结束了,然后T1再执行,这样就能保证同一时刻只有一个线程执行。
  2. Hoare模型里面,T2通知完T1后,T2阻塞,T1马上执行;等T1执行完,再唤醒T2,也能保证同一时刻只有一个线程执行。但是相比Hasen模型,T2多了一次阻塞唤醒操作。
  3. MESA管程里面,T2通知完T1后,T2还是会接着执行,T1并不立即执行,仅仅是从条件变量的等待队列进到入口等待队列里面。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。

notify()何时可以使用

还有一个需要注意的地方,就是notify()和notifyAll()的使用,前面章节,我曾经介绍过,除非经过深思熟虑,否则尽量使用notifyAll()。那什么时候可以使用notify()呢?需要满足以下三个条件:

  1. 所有等待线程拥有相同的等待条件;
  2. 所有等待线程被唤醒后,执行相同的操作;
  3. 只需要唤醒一个线程。

比如上面阻塞队列的例子中,对于“阻塞队列不满”这个条件变量,其等待线程都是在等待“阻塞队列不满”这个条件,反映在代码里就是下面这3行代码。对所有等待线程来说,都是执行这3行代码,重点是 while 里面的等待条件是完全相同的

while (阻塞队列已满){
  // 等待队列不满
  notFull.await();
}

所有等待线程被唤醒后执行的操作也是相同的,都是下面这几行:

// 省略入队操作...
// 入队后,通知可出队
notEmpty.signal();

同时也满足第3条,只需要唤醒一个线程。所以上面阻塞队列的代码,使用signal()是可以的。

总结

管程是一个解决并发问题的模型,你可以参考医院就医的流程来加深理解。理解这个模型的重点在于理解条件变量及其等待队列的工作原理。

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。具体如下图所示。

Java内置的管程方案(synchronized)使用简单,synchronized关键字修饰的代码块,在编译期会自动生成相关加锁和解锁的代码,但是仅支持一个条件变量;而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。

并发编程里两大核心问题——互斥和同步,都可以由管程来帮你解决。学好管程,理论上所有的并发问题你都可以解决,并且很多并发工具类底层都是管程实现的,所以学好管程,就是相当于掌握了一把并发编程的万能钥匙。

课后思考

wait()方法,在Hasen模型和Hoare模型里面,都是没有参数的,而在MESA模型里面,增加了超时参数,你觉得这个参数有必要吗?

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