Java管程的概念和實現原理

本篇內容主要講解“Java管程的概念和實現原理”，感興趣的朋友不妨來看看。本文介紹的方法操作簡單快捷，實用性強。下面就讓小編來帶大家學習“Java管程的概念和實現原理”吧!

管程的概念

在操作系統的概念里，monitor（管程）是為了解決使用信號量同步容易出錯的問題，而提出的一種高級同步原語。monitor是編程語言的組成部分，進入monitor時的互斥由編譯器來負責，寫monitor的人無需關心編譯器是如何實現互斥的，只需要將所有臨界區轉換成monitor即可。盡管管程提供了一種實現互斥的簡單方式，但是還不夠，還需要一種辦法使得進程/線程在無法繼續執行時被阻塞，解決的方法是引入條件變量以及兩個相關的操作：wait和signal。Java是真正支持管程的編程語言之一。

Java中的monitor支持兩種類型的線程同步: 互斥鎖同步和協作同步。在Java虛擬機中通過object locks支持的互斥鎖，允許多個線程獨立地工作在共享數據上，而不會互相干擾（在使用上即synchronized關鍵字，這里提到的是虛擬機層原理）。Java虛擬機通過Object類的 wait 和 notify 方法支持協作，使線程能夠朝著共同的目標協同工作。

互斥鎖同步

一個monitor就像一棟樓里面的一個特殊房間，在同一時間內只能被一個線程所占有，這個房間通常包含一些數據，從線程進入這個房間到離開這個房間，它可以訪問房間里的任何數據。

• 進入這棟樓，稱為entering the monitor。

• 進入這個特殊房間，稱為acquiring the monitor。

• 占有這個特殊房間，稱為owning the monitor。

• 離開這個特殊房間，稱為releasing the monitor。

• 離開這棟樓，稱為exiting the monitor。

除了與數據關聯之外，一個monitor還被關聯了很多的代碼，稱為monitor regions。monitor regions包含一段原子的，不可分割的執行的代碼。

當線程到達monitor regions的開始位置時，它將被放置到所關聯monitor的一個 entry set中。 entry set類似于monitor大樓的前門廊。如果在entry set中沒有其他線程在等待，且當前沒有其他線程擁有monitor，則線程獲取monitor并繼續執行monitor regions內的代碼，執行完成后，它退出并釋放monitor。

如果一個線程到達monitor regions的開始位置時，該monitor已經被另一個線程所擁有，那么新到達的線程必須在 entry set中等待，只有當擁有者退出monitor后，新到達的線程必須與同樣在entry set中等待的其他線程競爭，只有一個線程可以勝出并獲得monitor。

以上講述的是互斥鎖同步。互斥鎖同步是指由多個線程互斥地執行monitor regions ，在任何時候，只有一個線程可以執行特定monitor的monitor regions。一般來說，只有當多個線程共享數據或其他資源時，互斥鎖才是重要的。如果兩個線程不使用任何公共數據或資源，它們通常不會互相干擾，也不需要以互斥的方式執行。

協作同步

當一個線程需要某些數據處于特定狀態，而另一個線程負責將數據轉換到該狀態時，協作非常重要。例如，一個“寫線程”負責填充的緩沖區，一個“讀線程”從緩沖區取走數據。如果讀線程發現緩沖區為空，則必須等待寫線程填充數據。如果寫線程發現緩沖區滿了，則必須等待讀線程取走數據。

Java 虛擬機使用的monitor的形式稱為"Wait and Notify" monitor，也可以稱為"Signal and Continue" monitor，在這種monitor形式中，當前擁有monitor的線程可以通過執行 wait 命令暫停（suspended）自己，它釋放monitor并進入一個wait set。線程將在wait set中保持暫停狀態，直到另一個線程在monitor內執行notify命令后。當一個線程執行一個 notify 時，它繼續擁有monitor，直到它通過執行一個wait命令，或者執行完成monitor regions內的代碼來釋放monitor。通知線程釋放monitor之后，等待線程將會復活（resurrected）并可以重新獲取monitor。

圖中包含3個區域，中心區域包含一個活躍的線程（正在執行的），該線程擁有monitor，可以執行monitor regions內的代碼，稱之為monitor's owner，左邊是一個 entry set，右邊是一個wait set。圖中有5扇門，線程必須通過這些門與monitor交互。

當一個線程執行到monitor regions開始的地方時，它通過最左邊的1號門進入 entry set，如果當前沒有線程擁有monitor并且entry set中只有這一個線程，該線程會立即通過2號門成為monitor's owner，該線程可以繼續執行monitor regions內的代碼。如果當前有其他線程擁有monitor，該線程必須在entry set中等待，這個區域中可能有很多個其他的線程在等待。

圖中 entry set中有3個掛起的線程，wait set中有4個，只有當monitor's owner釋放了monitor后，這些線程才有機會得到執行。monitor's owner釋放monitor有2種方式：

1. 執行完成區域內的代碼，通過5號門退出。

2. 執行wait命令，進入wait set。

如果monitor's owner在釋放monitor之前沒有執行notify命令，那么只有entry set中的線程會通過競爭來獲得monitor。如果執行了notify，那么entry set中的線程將不得不與wait set中線程競爭。如果一個線程從entry set中競爭獲勝，它通過2號門，成為monitor的新主人。如果wait set中的一個線程競爭獲勝，它通過4號門重新獲得monitor。注意，3號門和4號門是線程進入或退出wait set的唯一方式，線程只有在當前擁有monitor的情況下才能執行 wait 命令，而且它不能自動的離開wait set并再次成為monitor's owner。

在Java虛擬機中，線程可以選擇在執行wait命令時指定一個timeout。如果一個線程指定了timeout，如果在timeout到期之前沒有其他線程執行通知，那么等待的線程會收到來自虛擬機的自動通知。timeout過期后，即使沒有其他線程執行顯式通知，等待線程也會恢復。Java虛擬機提供了兩種通知命令: “ notify”和“ notify all”。notify 命令可以從wait set中任意選擇一個線程，并將其標記為恢復。notify all命令標記當前處于wait set中的所有線程恢復。

Java中Object類聲明了5個方法（wait和notify），使程序員能夠使用Java虛擬機對同步協調方面的支持。這些方法被聲明為 public 和 final，因此它們被所有類繼承，只能從同步的方法或語句中調用它們。換句話說，在調用這些方法中的任何一個之前，必須已經獲取與對象關聯的鎖。

到此，相信大家對“Java管程的概念和實現原理”有了更深的了解，不妨來實際操作一番吧！這里是億速云網站，更多相關內容可以進入相關頻道進行查詢，關注我們，繼續學習！