1、什么是管程

一个管程是一个由过程、变量及数据结构组成的一个集合，它们组成一个特殊的模块或软件包。进程可以在任何需要的时候调用管程中的过程，但不能在管程之外声明的过程中直接访问管程内的数据结构，即不能在管程之外的方法直接访问管程内的数据结构，必须通过管程提供的方法访问。

一个管程由四个部分组成，管程名称、共享数据说明、对数据进行操作的一组过程和对共享变量初始化的语句。管程能够保证共享资源的互斥性，即同一时刻只能有一个进程可以在管程内活动。该功能由管程本身是实现的，因此，程序员不用显示的去实现这种同步约束。

Java 的并发问题解决方案，采用的是管程技术，其 synchronized 关键字及 Object 的 wait、notifyAll、notify 这三个方法都是管程的组成部分。而管程和信号量是等价的，所谓等价指的是用管程能够实现信号量，也能够使用信号量实现管程。由于管程更容易使用，所以 Java 选择了管程的方案。

管程的英语是 Monitor，很多地方会翻译成监视器，这是直译，操作系统一般都翻译成管程，这个是意译。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。对 Java 而言，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。

2、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、Hoare 和 MEAS 模型。其中，现在最广泛使用的是 MESA 模型，并且 Java 管程的实现参考的也是 MESA 模型。

在并发变成领域，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。这两个问题，管程都能够解决。

2.1、互斥问题

管程解决互斥问题的思路，就是将共享变量及其对共享变量的操作统一封装起来。假如我们实现一个线程安全的阻塞队列，一个最直观的想法就是，将线程不安全的队列封装起来，对外提供线程安全的操作方法，如入队和出队操作。

利用管程，如何快速实现这个直观的想法呢？如下图，管程 X 将共享变量 queue 这个线程不安全的队列和相关的入队 enq 和出队 deq 操作封装起来；线程 A 和线程 B 如果想要访问队列 queue，只能通过调用管程提供的 enq 和 deq 方法来实现。其中 enq 和 deq 方法保证了互斥性，即同一时刻只允许一个线程进入管程。

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2.2、同步问题

在管程模型里，共享变量和对共享变量的操作是被封装起来的，图中最外层的框代表封装的意思。框的上面有一个入口，并且入口旁边还有一个入口等待队列。当多个线程同时试图进入管程内部时，只允许一个线程进入，其他线程则在入口等待队列中等待。

管程还引入了条件变量的概念，而且每个条件变量都对应有一个等待队列。如图，条件变量 A 和条件变量 B 分别都有自己的等待队列。图中的条件变量和条件变量等待队列，其实是用来解决线程同步的问题。

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假设线程 1 调用 deq 方法，执行出队操作，这里有个前提条件是阻塞队列不能为空，阻塞队列不为空对应的就是管程里的条件变量。如果线程 1 进入管程恰好发现阻塞队列时空的，则会去条件变量对应的等待队列里等待。线程 1 进入条件变量的等待队列后，是允许其他线程进入管程的。

线程 1 进入等待队列后，另外一个线程 2 执行阻塞队列的入队操作。入队操作成功后，阻塞队列不为空这个条件对于线程 1 来说已经满足了，此时线程 2 需要通知线程 1。线程 1 收到通知后，会从等待队列里面出来，但是出来之后不是马上执行，而是重新进入到入口等待队列中。

2.3、JVM 提供的等待/通知

Object 通过提供了 wait、notify 和 notifyAll 三个方法，实现上面的等待/通知操作。前面提到线程 1 发现阻塞队列不为空这个条件不满足时，需要进入到条件变量对应的等待队列中等待。这个过程就是通过 wait 方法实现的。如上图所示，条件变量 A 代表阻塞队列不为空这个条件，则线程 1 需要调用 A.wait。同理当阻塞队列不为空满足时，线程 2 需要调用 A.notify 或 A.notifyAll 来通知 A 等待队列中的线程。其中 notify 只会通知条件变量等待队列中的一个线程，notifyAll 会通知所有线程。

对于 MESA 模型的管程来说，wait 方法的编码范式如下，需要在一个 while 循环里面调用 wait。

  1. while(条件不满足) {
  2.   wait();
  3. }

Hasen、Hoare 和 MESA 模型的主要区别就是当条件满足后，如何通知相关的线程。管程要求同一时刻只允许一个线程执行，那当线程 2 的操作使线程 1 等待的条件满足时，线程 1 和线程 2 究竟谁可以执行？

  1. Hasen 模型，要求 notify 放在代码的最后，这样线程 2 通知完线程 1 后，线程 2 就结束了；然后线程 1 再执行，这样就能保证同一时刻只允许一个线程执行
  2. Hoare 模型，线程 2 通知完线程 1 后，线程 2 阻塞，线程 1 立即执行；等线程 1 执行完，在唤醒线程 2，同样可以保证同一时刻只允许一个线程执行。但相比 Hasen 模型，线程 2 多了一次等待/通知操作
  3. MESA 模型，线程 2 通知完线程 1 后，线程 2 还会接着执行，线程 1 不会立即执行，仅仅是从变量的等待队列进到入口等待队列里。这样做的好处是 notify 不用放到代码的最后，线程 2 也没有多余的等待/通知操作。缺点是当线程 1 再次执行的时候，可能曾经满足的条件，又不满足了，所以需要以 while 自旋的方式检验条件变量。

使用 notify 方法时需要同时满足下面三个条件：

  1. 所有等待线程拥有相同的等待条件
  2. 所有等待线程被唤醒后，执行相同的操作
  3. 仅需要唤醒一个线程

3、总结

并发编程里两大核心问题，互斥和同步，管程就是用来解决这两个问题的模型，管程模型的重点是条件变量及条件变量对应的等待队列。Java 语言内置的管程实现是 synchronized 关键字，它参考了 MESA 模型，并对 MESA 模型进行了精简，MESA 模型中条件变量可以有多个，Java 语言内置的管程里只有一个条件变量，如图所示：

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Java 内置的管程方案使用简单，synchronized 关键字修饰的代码块，在编译器会自动生成相关加锁和解锁的代码，但仅支持一个条件变量；而 JDK 并发包里实现的管程支持多个条件变量，如 ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock 等。并发包里的锁，需要开发人员自己进行过加锁和解锁操作。