多线程编程核心技术(八)管程

处理多线程可以从信号量和管程来进行。Linux就是使用信号量对进行多线程的。

信号量是1965荷兰Dijkstra为了解决并发进程问题 而提出的一个重要操作系统的思想

信号量是操作系统提供的一种协调共享资源访问的方法。和用软件实现的同步比较，软件同步是平等线程间的的一种同步协商机制，不能保证原子性。而信号量则由操作系统进行管理，地位高于进程，操作系统保证信号量的原子性。

信号量是跟锁机制在同一个层次上的编程方法(那么原理是否可以认为是操作隔离性思想)。管程是为了解决信号量在临界区的PV操作上的配对的麻烦，把配对的PV操作集中在一起，生成的一种并发编程方法。

两个或多个进程可以通过简单的信号进行合作，一个进程可以被迫在某个位置停止，直到它接收到一个特定的信号。任何复杂的合作需求都可以通过适当的信号结构 得到满足。为了发信号，需要使用一个称为信号量的特殊变量。为通过信号量s发送信号，进程可执行原语semSignal（s），即V操作；为了通过信号量 s接收信号，进程可执行原语semWait（s），即P操作；如果相应的信号还没有发送，则进程将被挂起，直至发送位置。

信号量思想代码：

semaphore empty=2； //定义empty对应盘子的剩余放水果的位置个数初值为2(      空缓冲区个数       ) 
    semaphore apple=0； //定义信号量apple对应盘子里的苹果数量初值为0 
    semaphore orange=0； //定义信号量orange对于盘子里的橘子数量初值为0 
    semaphore mutex=1： //定义信号量mutex来保护盘子被互斥地访问 
    father(){ //爸爸进程
    while(1){ 
        P(empty)； //盘子的剩余放水果的位置减一，如果>=0,说明有位置可以放苹果
            P(mutex)； 
            在盘子里放一个苹果 
            V(mutex)； 
            V(apple)；//盘中苹果数加一
    }
}


mother(){ //妈妈进程 
    while(1)  { 
        P(empty)； //盘子的剩余放水果的位置减一，如果>=0,说明有位置可以放橘子
            P(mutex)； //互斥变量减一，如果<0，则说明有进程在临界区。则当前进程必须等待。
            在盘子里放一个橘子
            V(mutex)； 进程执行完毕，出了临界区，互斥变量值加一。
            V(orange)； //盘中橘子数加一
    } 
} 

son(){ //用这段程序产生两个儿子进程 
    while(1)  { 
        P(orange)； //盘中橘子个数减一，如果结果>=0时,说明盘中有橘子，可以取 
            P(mutex)； 
            从盘子里拿一个橘子
            V(mutex)； 
            V(empty)； 取了一个橘子后，盘子的剩余放水果的位置加一
    }
}
daughter(){ //用这段程序产生两个女儿进程 
    while(1 )  { 
        P(apple)；   //盘中苹果个数减一，如果结果>=0时,说明盘中有苹果，可以取
            P(mutex)； 
            从盘子里拿出一个苹果 
            V(mutex)；
            V(empty)； 取了一个橘子后，盘子的剩余放水果的位置加一

    } 
}

管程可以被认为是一个建筑物，其中包含一个特殊的房间(下图的special room)。该特殊的房间在同一时间只能由一个客户（线程）占用，通常包含一些数据和代码。

 

 如果一个客户想要占据这个特殊房间，他必须先进入走廊（在上图是Hallway，在java中是Entry Set）等待。调度器将根据某些标准（例如FIFO先进先出）来选择一个客户。如果他出于某种原因中止，那么他将被送到等待室(上图wait room)，并且在一段时间之后被安排重新进入特殊房间。正如上图所示，这座大楼里包含3间房间。

那么如果信号量为1的情况下，和管程是一样的。

 在java内锁的实现是使用管程进行的，管程，对应的英文是 Monitor，所以也可以叫监视器

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。

Hasen模型要求notify放到最后，这样T2线程通知T1后，T2线程就结束了，然后T1执行完，这样就能保证同一时刻只有一个线程在执行。

Hoare模型里面，T2线程通知完T1线程后，T2马上阻塞，T1马上执行；等T1执行完之后再唤醒T2线程，也能保证同一时刻只有一个线程在执行，但是T2多了一次阻塞唤醒操作。

MESA模型中，T2唤醒T1之后，T2还是会接着执行，T1并不立即执行，仅仅是从条件变量队列到等待队列中。

这三个模型的共性就是控制了一个时刻只有一个线程can run。思考下为什么需要这样进化。

Hasen的缺点我的理解是：可能会造成CPU放空炮，T1不满住执行条件，又需要重新呼叫T2。

Hoare的缺点：如果T1无法执行。那么会浪费CPU部分资源，但是至少比哈森好，好在如果不满足，可以快速进行调度

MESA的模型结合了上面两个的特点。缺点就是时刻不再固定，T1瞬息万变可能需要进行重新的条件判断——>乐观思想？

 

多线程有两大核心问题：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。

同步是指线程之间在时间上的步调协调，并不一定会涉及到共享资源的互斥操作。比如线程1完成了自己的步骤1之后，要先等待线程2也完成了自己的步骤1，线程1才能进行自己的步骤2，这过程中线程1和线程2之间不一定有共享资源存在。
就好比生活中的同学聚会，去聚会地点（步骤1），开跑车去的同学1先到达，步行去的同学2晚到达，但是同学1必须要等同学2也到达后（完成步骤1），才能进入聚会的吃饭环节（步骤2）。

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（就像上面的小房子只能一个人）。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，不过实际上有点捞。

管程其实更加像是面向对象的一种设计，你不安全是吧，那我就把你关起来，弄个小窗口和你交流。控制你的活动同时也规范了外部的活动。

至于同步就有点困难，让每个条件变量都对应有一个等待队列，如下图，条件变量 A (A>100)和条件变量 B(C>200,A>1000) 分别都有自己的等待队列。

 

 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。

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。

总结起来就是，管程就是一个对象监视器。任何线程想要访问该资源，就要排队进入监控范围。进入之后，接受检查，不符合条件（例如"火车进了隧道，发生全是汽车，那么就先让别的车先走"），则要继续等待，直到被通知，然后继续进入监视器。