Java對管程的支援

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管程的概念

 

管程 (英語：Moniters，也稱為監視器) 是一種程式結構，結構內的多個子程式（對象或模組）形成的多個背景工作執行緒互斥訪問共用資源。 這些共用資源一般是硬體裝置或一群變數。管程實現了在一個時間點，最多隻有一個線程在執行管程的某個子程式。 與那些通過修改資料結構實現互斥訪問的並發程式設計相比，管程實現很大程度上簡化了程式設計。 管程提供了一種機制，線程可以臨時放棄互斥訪問，等待某些條件得到滿足後，重新獲得執行權恢複它的互斥訪問。

一個管程包含:

1. 多個彼此可以互動並共用資源的線程
2. 多個與資源使用有關的變數
3. 一個互斥鎖
4. 一個用來避免競態條件的不變數

一個管程的程式在運行一個線程前會先取得互斥鎖，直到完成線程或是線程等待某個條件被滿足才會放棄互斥鎖。 若每個執行中的線程在放棄互斥鎖之前都能保證不變數成立，則所有線程皆不會導致競態條件成立。 當一個線程執行管程中的一個子程式時，稱為佔用(occupy)該管程. 管程的實現確保了在一個時間點，最多隻有一個線程佔用了該管程。這是管程的互斥鎖訪問性質。 當線程要調用一個定義在管程中的子程式時，必須等到已經沒有其它線程在執行管程中的某個子程式。 在管程的簡單實現中，編譯器為每個管程對象自動加入一把私人的互斥鎖。該互斥鎖初始狀態為解鎖， 在管程的每個公用子程式的入口給該互斥鎖加鎖，在管程的每個公用子程式的出口給該互斥鎖解鎖。

條件變數(Condition Variable)

管程提供了一種實現互斥的簡便途徑，但這還不夠。我們還需要一種辦法使得線程在無法繼續運行時被阻塞。 在生產者-消費者問題中，很容易將針對緩衝區滿和緩衝區空的測試放到管程過程中，但是生產者在發現緩衝區滿的時候如何阻塞呢？ 解決的方法是引入條件變數（condition variables）以及相關的兩個操作：wait和signal。 當一個管程過程發現它無法繼續運行時（例如，生產者發現緩衝區滿），它會在某個條件變數上（如full）執行wait操作。 該操作導致調用進程自身阻塞，並且還將另一個以前等在管程之外的進程調入管程。 另一個線程，比如消費者，可以喚醒正在睡眠的夥伴進程，這可以通過對其夥伴正在等待的一個條件變數執行signal完成。 為了避免管程中同時有兩個活躍進程，如果在一個條件變數上有若干進程正在等待，則在對該條件變數執行signal操作後， 系統發送器只能在其中選擇一個使其恢複運行。

線程可能需要等待某個條件P為真，才能繼續執行。在一個忙等待(busy waiting)迴圈中    while not( P ) do skip 將會導致所有其它進程都無法進入臨界區使得該條件P為真，該管程發生死結. 解決辦法是條件變數(condition variables). 概念上，一個條件變數就是一個線程隊列(queue), 其中的線程正等待某個條件變為真。 每個條件變數c關聯著一個斷言P_c. 當一個線程等待一個條件變數，該線程不算作佔用了該管程，因而其它線程可以進入該管程執行， 改變管程的狀態，通知條件變數c其關聯的斷言P_c在目前狀態下為真.

因此對條件變數存在兩種主要操作: wait c 被一個線程調用，以等待斷言P_c被滿足後該線程可恢複執行. 線程掛在該條件變數上等待時，不被認為是佔用了管程. signal c (有時寫作notify c)被一個線程調用，以指出斷言P_c現在為真. 當一個通知(signal)發給了一個有線程處於等待中的條件變數，則有至少兩個線程將要佔用該管程: 發出通知的線程與等待該通知的某個線程.  只能有一個線程佔用該管程，因此必須做出選擇。兩種理論體系導致了兩種不同的條件變數的實現: 阻塞式條件變數(Blocking condition variables)，把優先順序給了被通知的線程. 非阻塞式條件變數(Nonblocking condition variables)，把優先順序給了發出通知的線程.

隱式條件變數管程

Java程式設計語言中，每個對象都可以作為一個管程。需要互斥使用的方法必須明確標示關鍵字synchronized. 代碼塊也可以標示關鍵字synchronized. 不使用明確的條件變數, Java的這種管程在入口隊列之外，使用單獨的條件等待隊列. 所有等待的線程進入這個隊列， 所有的notify與notify all操作也施加於這個隊列。這種方法已經被其它程式設計語言使用，如C#.

Java中的同步方法與其他經典管程有本質差別：Java沒有內嵌的條件變數。反之，Java提供了兩個過程wait和notify ，分別與sleep和wakeup等價， 不過，當它們在同步方法中使用時，它們不受競爭條件約束。理論上，方法wait可以被中斷，它本身就是與中斷有關的代碼。Java需要顯式表示異常處理。

 

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