Java管程的概念和实现原理
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管程的概念
在操作系统的概念里，monitor（管程）是为了解决使用信号量同步容易出错的问题，而提出的一种高级同步原语。monitor是编程语言的组成部分，进入monitor时的互斥由编译器来负责，写monitor的人无需关心编译器是如何实现互斥的，只需要将所有临界区转换成monitor即可。尽管管程提供了一种实现互斥的简单方式，但是还不够，还需要一种办法使得进程/线程在无法继续执行时被阻塞，解决的方法是引入条件变量以及两个相关的操作：wait和signal。Java是真正支持管程的编程语言之一。
Java中的monitor支持两种类型的线程同步: 互斥锁同步和协作同步。在Java虚拟机中通过object locks支持的互斥锁，允许多个线程独立地工作在共享数据上，而不会互相干扰（在使用上即synchronized关键字，这里提到的是虚拟机层原理）。Java虚拟机通过Object类的 wait 和 notify 方法支持协作，使线程能够朝着共同的目标协同工作。
互斥锁同步
一个monitor就像一栋楼里面的一个特殊房间，在同一时间内只能被一个线程所占有，这个房间通常包含一些数据，从线程进入这个房间到离开这个房间，它可以访问房间里的任何数据。
进入这栋楼，称为entering the monitor。
进入这个特殊房间，称为acquiring the monitor。
占有这个特殊房间，称为owning the monitor。
离开这个特殊房间，称为releasing the monitor。
离开这栋楼，称为exiting the monitor。
除了与数据关联之外，一个monitor还被关联了很多的代码，称为monitor regions。monitor regions包含一段原子的，不可分割的执行的代码。
当线程到达monitor regions的开始位置时，它将被放置到所关联monitor的一个 entry set中。 entry set类似于monitor大楼的前门廊。如果在entry set中没有其他线程在等待，且当前没有其他线程拥有monitor，则线程获取monitor并继续执行monitor regions内的代码，执行完成后，它退出并释放monitor。
如果一个线程到达monitor regions的开始位置时，该monitor已经被另一个线程所拥有，那么新到达的线程必须在 entry set中等待，只有当拥有者退出monitor后，新到达的线程必须与同样在entry set中等待的其他线程竞争，只有一个线程可以胜出并获得monitor。
以上讲述的是互斥锁同步。互斥锁同步是指由多个线程互斥地执行monitor regions，在任何时候，只有一个线程可以执行特定monitor的monitor regions。一般来说，只有当多个线程共享数据或其他资源时，互斥锁才是重要的。如果两个线程不使用任何公共数据或资源，它们通常不会互相干扰，也不需要以互斥的方式执行。
协作同步
当一个线程需要某些数据处于特定状态，而另一个线程负责将数据转换到该状态时，协作非常重要。例如，一个“写线程”负责填充的缓冲区，一个“读线程”从缓冲区取走数据。如果读线程发现缓冲区为空，则必须等待写线程填充数据。如果写线程发现缓冲区满了，则必须等待读线程取走数据。
Java 虚拟机使用的monitor的形式称为"Wait and Notify" monitor，也可以称为"Signal and Continue" monitor，在这种monitor形式中，当前拥有monitor的线程可以通过执行 wait 命令暂停（suspended）自己，它释放monitor并进入一个wait set。线程将在wait set中保持暂停状态，直到另一个线程在monitor内执行notify命令后。当一个线程执行一个 notify 时，它继续拥有monitor，直到它通过执行一个wait命令，或者执行完成monitor regions内的代码来释放monitor。通知线程释放monitor之后，等待线程将会复活（resurrected）并可以重新获取monitor。
图中包含3个区域，中心区域包含一个活跃的线程（正在执行的），该线程拥有monitor，可以执行monitor regions内的代码，称之为monitor's owner，左边是一个 entry set，右边是一个wait set。图中有5扇门，线程必须通过这些门与monitor交互。
当一个线程执行到monitor regions开始的地方时，它通过最左边的1号门进入 entry set，如果当前没有线程拥有monitor并且entry set中只有这一个线程，该线程会立即通过2号门成为monitor's owner，该线程可以继续执行monitor regions内的代码。如果当前有其他线程拥有monitor，该线程必须在entry set中等待，这个区域中可能有很多个其他的线程在等待。
图中 entry set中有3个挂起的线程，wait set中有4个，只有当monitor's owner释放了monitor后，这些线程才有机会得到执行。monitor's owner释放monitor有2种方式：
执行完成区域内的代码，通过5号门退出。
执行wait命令，进入wait set。
如果monitor's owner在释放monitor之前没有执行notify命令，那么只有entry set中的线程会通过竞争来获得monitor。如果执行了notify，那么entry set中的线程将不得不与wait set中线程竞争。如果一个线程从entry set中竞争获胜，它通过2号门，成为monitor的新主人。如果wait set中的一个线程竞争获胜，它通过4号门重新获得monitor。注意，3号门和4号门是线程进入或退出wait set的唯一方式，线程只有在当前拥有monitor的情况下才能执行 wait命令，而且它不能自动的离开wait set并再次成为monitor's owner。
在Java虚拟机中，线程可以选择在执行wait命令时指定一个timeout。如果一个线程指定了timeout，如果在timeout到期之前没有其他线程执行通知，那么等待的线程会收到来自虚拟机的自动通知。timeout过期后，即使没有其他线程执行显式通知，等待线程也会恢复。Java虚拟机提供了两种通知命令: “ notify”和“ notify all”。notify命令可以从wait set中任意选择一个线程，并将其标记为恢复。notify all命令标记当前处于wait set中的所有线程恢复。
Java中Object类声明了5个方法（wait和notify），使程序员能够使用Java虚拟机对同步协调方面的支持。这些方法被声明为 public 和 final，因此它们被所有类继承，只能从同步的方法或语句中调用它们。换句话说，在调用这些方法中的任何一个之前，必须已经获取与对象关联的锁。
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文章标题：Java管程的概念和实现原理
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