文章目錄
1. 定義
2. MESA模型
2.1 互斥
2.2 同步
3. synchronized
4. Lock與Condition
5. 總結
本文主要參考了極客時間上王寶令老師的《Java併發編程實戰》，裏面大部分內容來自這門課程，本文中的幾張圖也是參考課程裏面的圖畫的。個人覺得這門課程比較基礎，相對而言比較簡單，老師講解得也十分清晰，適合併發編程的入門，有需要的朋友可以點擊文末的二維碼連接去了解。
1. 定義
Monitor在英語中直譯是監視器的意思，但是在操作系統中通常被翻譯爲管程，是用來實現併發的一種技術，它解決了併發編程中的兩大核心問題：互斥與同步。所以管程的定義是：用來管理共享變量以及對共享變量操作的過程。
歷史上出現過三種管程模型，MESA模型、Hasen模型、Hoare模型。而在Java中，管程的實現是根據MESA模型實現的。
2. MESA模型
管程實現了併發編程領域的兩大核心問題：互斥與同步，那麼MESA模型是如何來實現互斥與同步的呢？
2.1 互斥
管程通過對共享變量以及對操作共享變量方法的進行了封裝，在同一時刻，只有一個線程進入到管程中，這樣就保證了只有一個線程來操作共享變量，實現了互斥的功能。
如上圖中，管程X對共享變量count，以及對操作共享變量count的兩個方法遞增：increment()和遞減：decrement()進行了封裝，要想訪問共享變量count，只能通過increment()和decrement()。由於管程保證了同時只允許一個線程進入，所以保證了increment()和decrement()的互斥性。
2.2 同步
如下圖的管程模型圖中，方框代表管程對共享變量以及操作共享變量方法的封裝，在入口處有一個等待隊列，當有多個線程試圖進入管程時，管程只允許一個線程進入，其他的線程進入到等待隊列中。
在管程中引入了條件變量的概念，每個條件變量都對應一個等待隊列。如圖中的條件變量A和B分別對應一個等待隊列。
條件變量和等待隊列的作用就是爲了實現線程之間的同步問題。可以結合下面的例子理解。
假設有如下場景，對於共享變量count，初始值爲0，我們需要對它進行遞增或者遞減操作，但是在進行操作時，需要滿足如下條件，進行遞增時，count的值不能大於等於10，進行遞減時，count的值需要大於0。
假設線程T1要對共享變量進行遞減操作，由於此時count值爲0，所以不能進行遞減操作，這個時候就應該讓線程T1進行等待。去哪兒等待呢？去條件變量對應的等待隊列裏面進行等待。所以此時需要調用count>0這個條件變量對象的wait()方法，這樣線程T1就進入到count>0這個條件變量的等待隊列中等待。
再假設線程T2要對共享變量進行遞增操作，由於此時count=0，滿足count值不能大於等於10這個條件，所以T2執行遞增操作，操作之後count變爲1，那麼此時對於條件變量count>0對於線程T1來說已經成立了，所以這個時候T2需要通知T1條件滿足了。那麼如何通知呢？通過調用count>0這個條件變量對象的notify()或者notifyAll()方法。通知完成後，T1線程會從條件變量的等待隊列中出來，但是此時T1不會立馬執行，而是需要重新進入到管程入口處的等待隊列中。
可以結合如下代碼理解。在代碼中使用了java.util.concurrent包下的類Lock和Condition，await()方法和wait()方法作用是一樣的，signalAll()和notifyAll()作用是一樣的。
public class Count {
volatile int count = 0;
final Lock lock = new ReentrantLock();
// 小於10條件變量
final Condition lessThanTen = lock.newCondition();
// 大於0條件變量
final Condition moreThanZero = lock.newCondition();
void increment(){
lock.lock();
try{
while(!count小於10){
// 小於10這個條件變量不滿足，調用await()方法進入到條件變量的等待隊列中
lessThanTen.await();
}
// 執行遞增操作
// 遞增完成以後，通知大於0這個條件等待隊列中的線程
moreThanZero.signalAll();
}finally {
lock.unlock();
}
}
void decrement(){
lock.lock();
try{
while(!count大於0){
// 大於0這個條件變量不滿足，調用await()方法進入到條件變量的等待隊列中
moreThanZero.await();
}
// 執行遞減操作
// 執行遞減操作以後，通知小於10這個條件等待隊列中的線程
lessThanTen.signalAll();
}finally{
lock.unlock();
}
}
}
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通過對上面MESA管程模型的介紹，到這裏相信你對管程有了一定的認識。那管程在Java中到底是如何實現的呢？
3. synchronized
Java語言中爲我們提供了synchronized關鍵字來實現鎖。synchronized關鍵詞實現的鎖是隱式鎖，爲什麼稱之爲隱式鎖呢？是因爲在編譯器編譯Java文件時，當碰到synchronized時，會自動加上加鎖指令和解鎖指令，即monitorenter和monitorexit，這一步對於開發人員來說是透明的，所以說它是隱式鎖。它的底層實現就是通過管程實現的，前面我們介紹的管程模型中，可以支持多個條件變量，但是synchronized的管程實現只支持一個條件變量。它的管程示意圖如下：
那麼在虛擬機中，是如何實現管程的呢？那就是ObjectMonitor這個對象了。在openJDK的源碼中，有這樣兩個源文件：objectMonitor.cpp和objectMonitor.hpp。前者的文件中實現了鎖的獲取、釋放等方法，後者定義了前者需要的頭文件。在objectMonitor.hpp文件中定義了這樣一個結構：
ObjectMonitor() {
_header = NULL;
_count = 0;
_waiters = 0,
_recursions = 0;
_object = NULL;
_owner = NULL;
// 條件等待隊列
_WaitSet = NULL;
_WaitSetLock = 0 ;
_Responsible = NULL ;
_succ = NULL ;
_cxq = NULL ;
FreeNext = NULL ;
// 入口等待隊列
_EntryList = NULL ;
_SpinFreq = 0 ;
_SpinClock = 0 ;
OwnerIsThread = 0 ;
_previous_owner_tid = 0;
}
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在ObjectMonitor這個結構中，有兩個重要的屬性：_WaitSet和_EntryList，這兩個屬性分別對應管程中條件等待隊列和入口等待隊列。
4. Lock與Condition
Lock和Condition是java.util.concurrent包下的類，與synchronized關鍵字實現鎖的原理不一樣，Lock是在Java層面實現的，而synchronized是通過JVM虛擬機實現的鎖。
Lock和Condition也是通過管程模型來實現鎖的。其中Lock是是用來實現互斥的，Condition是用來實現同步的。
與synchronized不同的是，Lock與Condition實現的管程，支持多條件變量，而synchronized的管程實現只支持單個條件變量。
5. 總結
本文主要介紹了管程的模型以及管程是如何來實現併發的，
本文結合Java中synchronized和Lock介紹了管程的實現。
本文的內容更偏於個人的學習筆記，很多地方講解得不是很詳細，如果想了解更加詳細的，可以去看看極客時間上《Java併發編程實戰》這門課程，下方是課程的二維碼鏈接。
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semaphore和mutex的區別？
https://www.zhihu.com/question/47704079
java的同步底層就是使用mutex來實現的管程，最後一級重量級鎖 使用的是object monitor