锁原理 - 信号量 vs 管程：JDK 为什么选择管程 - binarylei

锁原理 - 信号量 vs 管程：JDK 为什么选择管程

锁原理 - 信号量 vs 管程：JDK 为什么选择管程

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管程和信号量都能解决并发问题，它们是等价的。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。但是管程在信号量的基础上提供条件同步，使用更容易，所以 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。

1. 并发编程解决方案 - 信号量 vs 管程

1.1 相关概念

临界资源：虽然多个进程可以共享系统中的各种资源，但其中许多资源一次只能为一个进程所使用，我们把一次仅允许一个进程使用的资源称为临界资源。许多物理设备都属于临界资源，如打印机等。此外，还有许多变量、数据等都可以被若干进程共享，也属于临界资源。
临界区：对临界资源的访问，必须互斥地进行，在每个进程中，访问临界资源的那段代码称为临界区。
互斥：只有一个线程能访问临界区。

1.2 信号量 vs 管程

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？事实上，锁机制的实现方案有两种：

信号量(Semaphere)：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。
管程(Monitor)：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。其中使用了条件变量这种同步机制。

说明： 信号量将共享变量 S 封装起来，对共享变量 S 的所有操作都只能通过 PV 进行，这是不是和面向对象的思想是不是很像呢？事实上，封装共享变量是并发编程的常用手段。

在信号量中，当 P 操作无法获取到锁时，将当前线程添加到同步队列(syncQueue)中。当其余线程 V 释放锁时，从同步队列中唤醒等待线程。但当有多个线程通过信号量 PV 配对时会异常复杂，所以管程中引入了等待队列(waitQueue)的概念，进一步封装这些复杂的操作。

2. 信号量(Semaphere)

2.1 原理

信号中包括一个整形变量，和两个原子操作 P 和 V。其原子性由操作系统保证，这个整形变量只能通过 P 操作和 V 操作改变。

信号量由一个整形变量 S 和两个原子操作 PV 组成。
P(Prolaag，荷兰语尝试减少)：信号量值减 1，如果信号量值小于 0，则说明资源不够用的，把进程加入等待队列。
V (Verhoog，荷兰语增加)：信号量值加 1，如果信号量值小于等于 0，则说明等待队列里有进程，那么唤醒一个等待进程。

说明： 共享变量 S 只能由 PV 操作，PV 的原子性由操作系统保证。P 相当获取锁，可能会阻塞线程，而 V 相当于释放锁，不会阻塞线程。根据同步队列中唤醒线程的先后顺序，可以分为公平和非公平两种。

信号量分类：

二进制信号量：资源数目为 0 或 1。
资源信号量：资源数目为任何非负值。

2.2 代码实现

private class Semaphore {
    private int sem;
    private WaitQueue q;

    void P() {
        sem--;
        if (sem < 0) {
            // add this thread t to q;
            block(t);
        }
    }

    void V() {
        sem++;
        if (sem <= 0) {
            // remove a thread t from q;
            wakeup(t);
        }
    }
}

说明： Semaphere 的思路很简单，就是将共享变量 S 及其所有操作 PV 统一封装起来。事实上，封装共享变量是并发编程的常用手段。

2.3 使用场景

2.3.1 互斥访问

Semaphore mutex = new Semaphore(1);
mutex.P();
// do something
mutex.V();

实现临界区的互斥访问注意事项： 一是信号量的初始值必须为 1；二是 PV 必须配对使用。

2.3.2 条件访问

Semaphore condition = new Semaphore(0);
// ThreadA，进行等待队列中
condition.P();

// ThreadB，唤醒等待线程 ThreadA
condition.V();

实现临界区的条件访问注意事项： 初始信号量必须为 0，这样所有的线程调用 P 操作时都无法获取到锁，只能进行等待队列（相当于管程中的等待队列），当其余线程 B 调用 V 操作时会唤醒等待线程。

2.3.3 阻塞队列

阻塞队列是典型的生产者-消费者模式，任何时刻只能有一个生产者线程或消费都线程访问缓冲区。并且当缓冲区满时，生产者线程必须等待，反之消费者线程必须等待。

任何时刻只能有一个线程操作缓存区：互斥访问，使用二进制信号量 mutex，其信号初始值为 1。
缓存区空时，消费者必须等待生产者：条件同步，使用资源信号量 notEmpty，其信号初始值为 0。
缓存区满时，生产者必须等待消费者：条件同步，使用资源信号量 notFull，其信号初始值为 n。

private class BoundedBuffer {
    private int n = 100;
    private Semaphore mutex = new Semaphore(1);
    private Semaphore notFull = new Semaphore(n);
    private Semaphore notEmpty = new Semaphore(0);

    public void product() throws InterruptedException {
        notFull.P();      // 缓冲区满时，生产者线程必须等待
        mutex.P();
        // ...
        mutex.V();
        notEmpty.V();      // 唤醒等待的消费者线程
    }

    public void consume() throws InterruptedException {
        notEmpty.P();      // 缓冲区空时，消费都线程等待
        mutex.P();
        // ...
        mutex.V();
        notFull.V();      // 唤醒等待的生产者线程
    }
}

总结： 直接使用信号量，当多个 Semaphore 条件同步时，PV 配对比较困难而且容易写错。为了解决 PV 配对困难的问题，管程登场了。管程实际上是对条件同步的进一步封装。

2. 管程(Monitor)

Monitor 直译过来就是 "监视器"，操作系统领域一般都翻译成 "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？

2.1 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。

2.2 互斥

管程和信号量关于互斥的实现完全一样，都是将共享变量及其操作统一封装起来。

2.3 同步

在上述用信号量实现生产者-消费者模式的代码中，为了实现阻塞队列的功能，即等待-通知(wait-notify)，除了使用互斥锁 mutex 外，还需要两个判断队满和队空的资源信号量 fullBuffers 和 emptyBuffers，使用起来不仅复杂，还容易出错。

管程在信号量的基础上，更进一步，增加了条件同步，将上述复杂的操作封起来。

JUC AQS 也是基于管程实现的，我们基于 ReentrantLock 实现一个阻塞队列，重点比较和信号量的区别。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，即 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，即 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();
            }
            // add x to queue
            // 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();
            }
            // remove the first element from queue
            // 出队后，通知可入队
            notFull.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

总结： 对于用信号量实现阻塞队列，是不是感觉要简单些。这里的 notFull 相当于之前的 fullBuffers，notEmpty 相当于之前的 emptyBuffers。

2.4 wait() 的正确姿势

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。所谓范式，就是前人总结的经验。

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。

思考1：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？

有必要。Hasen 是执行完再去唤醒另外一个线程，能够保证线程的执行。Hoare 是中断当前线程，唤醒另外一个线程，执行玩再去唤醒，也能够保证完成。而 MESA 是进入等待队列，不一定有机会能够执行，产生饥饿现象。

2.5 notify() 何时可以使用

除非经过深思熟虑，否则尽量使用 notifyAll()，不要使用 notify()。

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。

2.6 AQS 和 synchronized 原理

JUC AQS 就是基于管程实现的，内部包含两个队列，一个是同步队列，一个是等待队列：

同步队列：锁被占用时，会将该线程添加到同步队列中。当锁释放后，会从队列中唤醒一个线程，又分为公平和非公平两种。
等待队列：当调用 await 是，会将该线程添加到等待队列中。当其它线程调用 notify 时，会将该线程从等待队列移动到同步队列中，重新竞争锁。

synchronized 也是基于管程实现的，核心的数据结构见 ObjectMonitor。AQS 和 synchronized 都是管程 MESA 模型在 Java 中的应用。一切都套路，有章可循。

参考：

每天用心记录一点点。内容也许不重要，但习惯很重要！

posted on 2020-03-22 08:29 binarylei 阅读(7634) 评论(4) 编辑收藏举报

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