我們都知道,經(jīng)過多年的發(fā)展和無數(shù)Java開發(fā)者的不懈努力，Java已經(jīng)由一門單純的計算機(jī)編程語言，逐漸演變成一套強(qiáng)大的以及仍在可持續(xù)發(fā)展中的技術(shù)體系平臺。

　　雖然，Java設(shè)計者們根據(jù)不同的技術(shù)規(guī)范，把Java劃分為3種結(jié)構(gòu)獨立且又彼此依賴的技術(shù)體系，分別是Java SE，Java EE 以及Java ME，其中Java EE 在廣泛應(yīng)用在企業(yè)級開發(fā)領(lǐng)域中。

　　除了包括Java API組件外，其衍生和擴(kuò)充了Web組件，事務(wù)組件，分布式組件，EJB組件，消息組件等，并且持續(xù)發(fā)展到如今，其中，雖然有許多組件現(xiàn)如今不再適用，但是許多組件在我們?nèi)粘ｉ_發(fā)工作中，扮演著同樣重要的角色和依舊服務(wù)著我們?nèi)招略庐惖臉I(yè)務(wù)需求。

　　綜合Java EE的這些技術(shù)，我們可以根據(jù)我們的實際需要和滿足我們的業(yè)務(wù)需求的情況下，可以快速構(gòu)建出一個具備高性能，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)且相對穩(wěn)定的應(yīng)用平臺，雖然現(xiàn)在云原生時代異軍突起許多基于非Java的其他技術(shù)平臺，但是在分布式時代，Java EE是用于構(gòu)建SOA架構(gòu)的首先平臺，甚至基于SpringCloud構(gòu)建微服務(wù)應(yīng)用平臺也離不開Java EE 的支撐。

　　個人覺得，Java的持續(xù)發(fā)展需要感謝Google，正是起初Google將Java作為Android操作系統(tǒng)的應(yīng)用層編程語言，使得Java可以在PC時代和移動互聯(lián)網(wǎng)時代得到快速發(fā)展，可以用于手持設(shè)備，嵌入式設(shè)備，個人PC設(shè)備，高性能的集群服務(wù)器和大型機(jī)器平臺。

　　當(dāng)然，Java的發(fā)展也不是一帆風(fēng)順的，也曾被許多開發(fā)者詬病和嫌棄，但是就憑Java在行業(yè)里能否覆蓋的場景來說，對于它的友好性和包容性，這不由讓我們心懷敬意。其中，除了Java有豐富的內(nèi)置API供我們使用外，尤其Java對于并發(fā)編程的支持，也是我們最難以釋懷的，甚至是我們作為Java開發(fā)者最頭疼的問題所在。

　　雖然，并發(fā)編程這個技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展了半個世紀(jì)了，相關(guān)的理論和技術(shù)紛繁復(fù)雜。那有沒有一種核心技術(shù)可以很方便地解決我們的并發(fā)問題呢?今天，我們就來一起走進(jìn)Java領(lǐng)域的并發(fā)編程的核心——Java線程機(jī)制。

　　基本概述

　　在Java中，對于Java語言層面的線程，我們基本都不會太陌生，甚至耳熟能詳。但是在此之前，我們先來探討一下，什么是管程技術(shù)?Java 語言在 1.5 之前，提供的唯一的并發(fā)原語就是管程，而且 1.5 之后提供的 SDK 并發(fā)包，也是以管程技術(shù)為基礎(chǔ)的。除此之外，其中C/C++、C# 等高級語言也都支持管程。

　　關(guān)于管程

　　管程(Monitor)是指定義了一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和能為并發(fā)進(jìn)程所執(zhí)行的一組操作，這組操作能同步進(jìn)程和改變管程中的數(shù)據(jù)。主要是指提供了一種機(jī)制，線程可以臨時放棄互斥訪問，等待某些條件得到滿足后，重新獲得執(zhí)行權(quán)恢復(fù)它的互斥訪問。

　　所謂管程，指的是管理共享變量以及對共享變量的操作過程，讓他們支持并發(fā)。翻譯為 Java 領(lǐng)域的語言，就是管理類的成員變量和成員方法，讓這個類是線程安全的。

　　基本定義

　　首先，系統(tǒng)中的各種硬件資源和軟件資源均可用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)抽象地描述其資源特性，即用少量信息和對該資源所執(zhí)行的操作來表征該資源，而忽略它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)細(xì)節(jié)。

　　其次，可以利用共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)抽象地表示系統(tǒng)中的共享資源，并且將對該共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實施的特定操作定義為一組過程。進(jìn)程對共享資源的申請、釋放和其它操作必須通過這組過程，間接地對共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)操作。

　　然后，對于請求訪問共享資源的諸多并發(fā)進(jìn)程，可以根據(jù)資源的情況接受或阻塞，確保每次僅有一個進(jìn)程進(jìn)入管程，執(zhí)行這組過程，使用共享資源，達(dá)到對共享資源所有訪問的統(tǒng)一管理,有效地實現(xiàn)進(jìn)程互斥。

　　最后，代表共享資源的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及由對該共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實施操作的一組過程所組成的資源管理程序共同構(gòu)成了一個操作系統(tǒng)的資源管理模塊，我們稱之為管程，管程被請求和釋放資源的進(jìn)程所調(diào)用。

　　綜上所述，管程(Monitor)是指定義了一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和能為并發(fā)進(jìn)程所執(zhí)行的一組操作，這組操作能同步進(jìn)程和改變管程中的數(shù)據(jù)。主要是指提供了一種機(jī)制，線程可以臨時放棄互斥訪問，等待某些條件得到滿足后，重新獲得執(zhí)行權(quán)恢復(fù)它的互斥訪問。

　　基本組成

　　由上述的定義可知，管程由四部分組成：

　　管程的名稱;

　　局部于管程的共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)說明;

　　對該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行操作的一組過程;

　　對局部于管程的共享數(shù)據(jù)設(shè)置初始值的語句

　　實際上，管程中包含了面向?qū)ο蟮乃枷耄鼘⒈碚鞴蚕碣Y源的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)操作的一組過程，包括同步機(jī)制，都集中并封裝在一個對象內(nèi)部，隱藏了實現(xiàn)細(xì)節(jié)。

　　封裝于管程內(nèi)部的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)僅能被封裝于管程內(nèi)部的過程所訪問，任何管程外的過程都不能訪問它;反之，封裝于管程內(nèi)部的過程也僅能訪問管程內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

　　所有進(jìn)程要訪問臨界資源時，都只能通過管程間接訪問，而管程每次只準(zhǔn)許一個進(jìn)程進(jìn)入管程，執(zhí)行管程內(nèi)的過程，從而實現(xiàn)了進(jìn)程互斥。

　　基本特點

　　管程是一種程序設(shè)計語言的結(jié)構(gòu)成分，它和信號量有同等的表達(dá)能力，從語言的角度看，管程主要有以下特點：

　　模塊化，即管程是一個基本程序單位，可以單獨編譯;

　　抽象數(shù)據(jù)類型，指管程中不僅有數(shù)據(jù)，而且有對數(shù)據(jù)的操作;

　　信息屏蔽，指管程中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)只能被管程中的過程訪問，這些過程也是在管程內(nèi)部定義的，供管程外的進(jìn)程調(diào)用，而管程中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及過程(函數(shù))的具體實現(xiàn)外部不可見。

　　基本模型

　　在管程的發(fā)展史上，先后出現(xiàn)過三種不同的管程模型，分別是：Hasen 模型、Hoare 模型和 MESA 模型。其中，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的是 MESA 模型，并且 Java 管程的實現(xiàn)參考的也是 MESA 模型。

　　接下來，我們就針對幾種管程模型分別來簡單的說明一下，它們之間的區(qū)別。

　　假設(shè)有這樣一個進(jìn)程同步機(jī)制中的問題：如果進(jìn)程P1因x條件處于阻塞狀態(tài)，那么當(dāng)進(jìn)程P2執(zhí)行了x.signal操作喚醒P1后，進(jìn)程P1和P2此時同時處于管程中了，這是不被允許的，那么如何確定哪個執(zhí)行哪個等待?

　　一般來說，我們都會采用如下兩種方式來進(jìn)行處理：

　　第一種方式：假如進(jìn)程 P2進(jìn)行等待，直至進(jìn)程P1離開管程或者等待另一個條件

　　第二種方式：假如進(jìn)程 P1進(jìn)行等待，直至進(jìn)程P2離開管程或者等待另一個條件

　　綜上所述，三種不同的管程模型采取的方式如下：

　　1.Hasen 模型

　　Hansan管程模型，采用了基于兩種的折中處理。主要是規(guī)定管程中的所有過程執(zhí)行的signal操作是過程體的最后一個操作，于是，進(jìn)程P2執(zhí)行完signal操作后立即退出管程，因此進(jìn)程P1馬上被恢復(fù)執(zhí)行。

　　2.Hoare 模型

　　Hoare 管程模型，采用第一種方式處理。只要進(jìn)程 P2進(jìn)行等待，直至進(jìn)程P1離開管程或者等待。

　　3.MESA 模型

　　MESA 管程模型，采用第二種方式處理。只要進(jìn)程 P1進(jìn)行等待，直至進(jìn)程P2離開管程或者等待。

　　基本實現(xiàn)

　　在并發(fā)編程領(lǐng)域，有兩大核心問題：互斥和同步。其中：

　　互斥(Mutual Exclusion)，即同一時刻只允許一個線程訪問共享資源

　　同步(Synchronization)，即線程之間如何通信、協(xié)作

　　這兩大問題，管程都是能夠解決的。主要是由于信號量機(jī)制是一種進(jìn)程同步機(jī)制，但每個要訪問臨界資源的進(jìn)程都必須自備同步操作wait(S)和signal(S)。

　　這樣大量同步操作分散到各個進(jìn)程中，可能會導(dǎo)致系統(tǒng)管理問題和死鎖，在解決上述問題的過程中，便產(chǎn)生了新的進(jìn)程同步工具——管程。其中：

　　信號量(Semaphere)：操作系統(tǒng)提供的一種協(xié)調(diào)共享資源訪問的方法。和用軟件實現(xiàn)的同步比較，軟件同步是平等線程間的的一種同步協(xié)商機(jī)制，不能保證原子性。而信號量則由操作系統(tǒng)進(jìn)行管理，地位高于進(jìn)程，操作系統(tǒng)保證信號量的原子性。

　　管程(Monitor)：解決信號量在臨界區(qū)的 PV 操作上的配對的麻煩，把配對的 PV 操作集中在一起，生成的一種并發(fā)編程方法。其中使用了條件變量這種同步機(jī)制。

　　綜上所述，這也是Java中，最常見的鎖機(jī)制的實現(xiàn)方案，即最典型的實現(xiàn)就是ReenTrantLock為互斥鎖(Mutex Lock) 和synchronized 為同步鎖(Synchronization Lock)。

　　具體表現(xiàn)

　　熟悉Java中synchronized 關(guān)鍵詞的都應(yīng)該知道，它是Java語言為開發(fā)者提供的同步工具，主要用來解決多線程并發(fā)執(zhí)行過程中數(shù)據(jù)同步的問題，主要有wait()、notify()、notifyAll() 這三個方法。其中，最關(guān)鍵的實現(xiàn)是，當(dāng)我們在代碼中聲明synchronized 之后，其被聲明部分代碼編譯之后會生成一對monitorenter和monitorexit指令來指定某個同步塊。

　　在JVM執(zhí)行指令過程中，一般當(dāng)遇到monitorenter指令表示獲取互斥鎖時，而當(dāng)遇到monitorexit指令表示要釋放互斥鎖，這就是synchronized在Java層面實現(xiàn)同步機(jī)制的過程。除此之外，如果是獲取鎖失敗，則會將當(dāng)前線程放入到阻塞讀隊列中，當(dāng)其他線程釋放鎖時，再通知阻塞讀隊列中的線程去獲取鎖。

　　由此可見，我們可以知道的是，synchronized 代碼塊是由一對 monitorenter/monitorexit 指令實現(xiàn)的，Monitor 對象是同步的基本實現(xiàn)單元。

　　準(zhǔn)確的說，JVM一般通過Monitor來實現(xiàn)monitorenter和monitorexit指令，而且Monitor 對象包括一個阻塞隊列和一個等待隊列。其中，阻塞隊列用來保存鎖競爭失敗的線程，并且它處于阻塞狀態(tài)，而等待隊列則用來保存synchronized 代碼塊中調(diào)用wait方法后放置的隊列，其調(diào)用wait方法后會通知阻塞隊列。

　　當(dāng)然，在 Java 6 之前，Monitor 的實現(xiàn)完全是依靠操作系統(tǒng)內(nèi)部的互斥鎖，因為需要進(jìn)行用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換，所以同步操作是一個無差別的重量級操作。

　　這并不意味著，Java是提供信號量這種編程原語來支持解決并發(fā)問題的，雖然在《操作系統(tǒng)原理》中，我們知道用信號量能解決所有并發(fā)問題，但是在Java中并不是這樣的。

　　其實，最根本的原因，就是Java 采用的是管程技術(shù)，synchronized 關(guān)鍵字及 wait()、notify()、notifyAll() 這三個方法都是管程的組成部分。而管程和信號量是等價的，所謂等價指的是用管程能夠?qū)崿F(xiàn)信號量，也能用信號量實現(xiàn)管程。

　　特別指出的是，相對于synchronized來說，ReentrantLock主要有以下幾個特點：

　　從鎖獲取粒度上來看，比synchronized較為細(xì)，主要表現(xiàn)在是鎖的持有是以線程為單位而不是基于調(diào)用次數(shù)。

　　從線程公平性上來看，ReentrantLock 可以設(shè)置公平性(fairness)，能減少線程“饑餓”的發(fā)生。

　　從使用角度上來看，ReentrantLock 可以像普通對象一樣使用，所以可以利用其提供的各種便利方法，進(jìn)行精細(xì)的同步操作，甚至是實現(xiàn) synchronized 難以表達(dá)的用例。

　　從性能角度上來看，synchronized 早期的實現(xiàn)比較低效，對比 ReentrantLock，大多數(shù)場景性能都相差較大。雖然在 Java 6之后 中對其進(jìn)行了非常多的改進(jìn)，但在高競爭情況下，ReentrantLock 仍然有一定優(yōu)勢。

　　綜上所述，我我相信你對Java中的管程技術(shù)已經(jīng)有了一個明確的認(rèn)識。接下來，我們便來進(jìn)入今天的主題——Java線程機(jī)制。

　　更多關(guān)于“java培訓(xùn)”的問題，歡迎咨詢千鋒教育在線名師。千鋒教育多年辦學(xué)，課程大綱緊跟企業(yè)需求，更科學(xué)更嚴(yán)謹(jǐn)，每年培養(yǎng)泛IT人才近2萬人。不論你是零基礎(chǔ)還是想提升，都可以找到適合的班型，千鋒教育隨時歡迎你來試聽。