Monitor 监视器？管程！

读书笔记：https://time.geekbang.org/column/intro/100023901 摘抄自极客时间 *

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。在下图中，管程 X 将共享变量 queue 这个队列和相关的操作入队 enq()、出队 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。

管程模型的代码化语义

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。

MESA 管程模型

那条件变量和等待队列的作用是什么呢？其实就是解决线程同步问题。你也可以结合上面提到的入队出队例子加深一下理解。

假设有个线程 T1 执行出队操作，不过需要注意的是执行出队操作，有个前提条件，就是队列不能是空的，而队列不空这个前提条件就是管程里的条件变量。如果线程 T1 进入管程后恰好发现队列是空的，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 执行入队操作，入队操作执行成功之后，“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“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“队列不空”这个条件，那么线程 T1 需要调用 A.wait()。同理当“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。下面的代码实现的是一个阻塞队列，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。

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。

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();
    }  
  }
}

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？

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。
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。
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：

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

比如上面阻塞队列的例子中，对于“队列不满”这个条件变量，其阻塞队列里的线程都是在等待“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 (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。

管程总结

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 中的管程示意图

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。

Java SDK 并发包通过 Lock 和 Condition 两个接口来实现管程

其中 Lock 用于解决互斥问题，Condition 用于解决同步问题。

今天我们重点介绍 Lock 的使用，在介绍 Lock 的使用之前，有个问题需要你首先思考一下：Java 语言本身提供的 synchronized 也是管程的一种实现，既然 Java 从语言层面已经实现了管程了，那为什么还要在 SDK 里提供另外一种实现呢？难道 Java 标准委员会还能同意“重复造轮子”的方案？很显然它们之间是有巨大区别的。那区别在哪里呢？如果能深入理解这个问题，对你用好 Lock 帮助很大。下面我们就一起来剖析一下这个问题。

再造管程的理由

你也许曾经听到过很多这方面的传说，例如在 Java 的 1.5 版本中，synchronized 性能不如 SDK 里面的 Lock，但 1.6 版本之后，synchronized 做了很多优化，将性能追了上来，所以 1.6 之后的版本又有人推荐使用 synchronized 了。那性能是否可以成为“重复造轮子”的理由呢？显然不能。因为性能问题优化一下就可以了，完全没必要“重复造轮子”。

到这里，关于这个问题，你是否能够想出一条理由来呢？如果你细心的话，也许能想到一点。那就是我们前面在介绍死锁问题的时候，提出了一个破坏不可抢占条件方案，但是这个方案 synchronized 没有办法解决。原因是 synchronized 申请资源的时候，如果申请不到，线程直接进入阻塞状态了，而线程进入阻塞状态，啥都干不了，也释放不了线程已经占有的资源。但我们希望的是：

对于“不可抢占”这个条件，占用部分资源的线程进一步申请其他资源时，如果申请不到，可以主动释放它占有的资源，这样不可抢占这个条件就破坏掉了。

如果我们重新设计一把互斥锁去解决这个问题，那该怎么设计呢？我觉得有三种方案。

能够响应中断。synchronized 的问题是，持有锁 A 后，如果尝试获取锁 B 失败，那么线程就进入阻塞状态，一旦发生死锁，就没有任何机会来唤醒阻塞的线程。但如果阻塞状态的线程能够响应中断信号，也就是说当我们给阻塞的线程发送中断信号的时候，能够唤醒它，那它就有机会释放曾经持有的锁 A。这样就破坏了不可抢占条件了。
支持超时。如果线程在一段时间之内没有获取到锁，不是进入阻塞状态，而是返回一个错误，那这个线程也有机会释放曾经持有的锁。这样也能破坏不可抢占条件。
非阻塞地获取锁。如果尝试获取锁失败，并不进入阻塞状态，而是直接返回，那这个线程也有机会释放曾经持有的锁。这样也能破坏不可抢占条件。

这三种方案可以全面弥补 synchronized 的问题。到这里相信你应该也能理解了，这三个方案就是“重复造轮子”的主要原因，体现在 API 上，就是 Lock 接口的三个方法。详情如下：

// 支持中断的 API
void lockInterruptibly() 
  throws InterruptedException;
// 支持超时的 API
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) 
  throws InterruptedException;
// 支持非阻塞获取锁的 API
boolean tryLock();

如何保证可见性

Java SDK 里面 Lock 的使用，有一个经典的范例，就是try{}finally{}，需要重点关注的是在 finally 里面释放锁。这个范例无需多解释，你看一下下面的代码就明白了。但是有一点需要解释一下，那就是可见性是怎么保证的。你已经知道 Java 里多线程的可见性是通过 Happens-Before 规则保证的，而 synchronized 之所以能够保证可见性，也是因为有一条 synchronized 相关的规则：synchronized 的解锁 Happens-Before 于后续对这个锁的加锁。那 Java SDK 里面 Lock 靠什么保证可见性呢？例如在下面的代码中，线程 T1 对 value 进行了 +=1 操作，那后续的线程 T2 能够看到 value 的正确结果吗？

class X {
  private final Lock rtl =
  new ReentrantLock();
  int value;
  public void addOne() {
    // 获取锁
    rtl.lock();  
    try {
      value+=1;
    } finally {
      // 保证锁能释放
      rtl.unlock();
    }
  }
}

答案必须是肯定的。Java SDK 里面锁的实现非常复杂，这里我就不展开细说了，但是原理还是需要简单介绍一下：它是利用了 volatile 相关的 Happens-Before 规则。Java SDK 里面的 ReentrantLock，内部持有一个 volatile 的成员变量 state，获取锁的时候，会读写 state 的值；解锁的时候，也会读写 state 的值（简化后的代码如下面所示）。也就是说，在执行 value+=1 之前，程序先读写了一次 volatile 变量 state，在执行 value+=1 之后，又读写了一次 volatile 变量 state。根据相关的 Happens-Before 规则：

顺序性规则：对于线程 T1，value+=1 Happens-Before 释放锁的操作 unlock()；
volatile 变量规则：由于 state = 1 会先读取 state，所以线程 T1 的 unlock() 操作 Happens-Before 线程 T2 的 lock() 操作；
传递性规则：线程 T1 的 value+=1 Happens-Before 线程 T2 的 lock() 操作。

class SampleLock {
  volatile int state;
  // 加锁
  lock() {
    // 省略代码无数
    state = 1;
  }
  // 解锁
  unlock() {
    // 省略代码无数
    state = 0;
  }
}

所以说，后续线程 T2 能够看到 value 的正确结果。

Java SDK 并发包里的 Lock 有别于 synchronized 隐式锁的三个特性：能够响应中断、支持超时和非阻塞地获取锁。那今天我们接着再来详细聊聊 Java SDK 并发包里的 Condition，Condition 实现了管程模型里面的条件变量。

在《08 | 管程：并发编程的万能钥匙》里我们提到过 Java 语言内置的管程里只有一个条件变量，而 Lock&Condition 实现的管程是支持多个条件变量的，这是二者的一个重要区别。

在很多并发场景下，支持多个条件变量能够让我们的并发程序可读性更好，实现起来也更容易。例如，实现一个阻塞队列，就需要两个条件变量。

那如何利用两个条件变量快速实现阻塞队列呢？

一个阻塞队列，需要两个条件变量，一个是队列不空（空队列不允许出队），另一个是队列不满（队列已满不允许入队），这个例子我们前面在介绍管程的时候详细说过，这里就不再赘述。相关的代码，我这里重新列了出来，你可以温故知新一下。

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();
    }  
  }
}

不过，这里你需要注意，Lock 和 Condition 实现的管程，线程等待和通知需要调用 await()、signal()、signalAll()，它们的语义和 wait()、notify()、notifyAll() 是相同的。但是不一样的是，Lock&Condition 实现的管程里只能使用前面的 await()、signal()、signalAll()，而后面的 wait()、notify()、notifyAll() 只有在 synchronized 实现的管程里才能使用。如果一不小心在 Lock&Condition 实现的管程里调用了 wait()、notify()、notifyAll()，那程序可就彻底玩儿完了。

Java SDK 并发包里的 Lock 和 Condition 不过就是管程的一种实现而已，管程你已经很熟悉了，那 Lock 和 Condition 的使用自然是小菜一碟。

Monitor 监视器？ 管程！