前言
在Java 1.5之前，Java語言提供的唯一并發語言就是管程，Java 1.5之後提供的SDK并發包也是以管程為基礎的。除了Java之外，C/C++、C#等進階語言也都是支援管程的。
那麼什麼是管程呢？
見名知意，是指管理共享變量以及對共享變量操作的過程，讓它們支援并發。翻譯成Java領域的語言，就是管理類的狀态變量，讓這個類是線程安全的。
synchronized關鍵字和wait()、notify()、notifyAll()這三個方法是Java中實作管程技術的組成部分。記得學習作業系統時，線上程一塊還有信号量機制，管程在功能上和信号量及PV操作類似，屬于一種程序同步互斥工具。Java選擇管程來實作并發主要還是因為實作管程比較容易。
管程對應的英文是Monitor，直譯為“螢幕”，而作業系統領域一般翻譯為“管程”。
在管程的發展史上，先後出現過三種不同的管程模型，分别是Hasen模型、Hoare模型和MESA模型。現在正在廣泛使用的是MESA模型。下面我們便介紹MESA模型。
MESA模型
管程中引入了條件變量的概念，而且每個條件變量都對應有一個等待隊列。條件變量和等待隊列的作用是解決線程之間的同步問題。
我們來看一個例子來了解這個模型。多個線程對一個共享隊列進行操作。
假設線程T1要執行出隊操作，但是這個操作要執行成功的前提是隊列不能為空。這個隊列不能為空就是管程裡的條件變量。若是線程T1進入管程後發現隊列是空的，那它就需要在“隊列不空”這個條件變量的等待隊列中等待。
通過調用
wait()
實作。若是用對象A代表“隊列不空”這個條件，那麼線程T1需要調用
A.wait()
，來将自己阻塞。
線上程T1進入條件變量的等待隊列後，是允許其他線程進入管程的。
再假設之後另外一個線程T2執行了入隊操作，入隊操作成功之後，“隊列不空”這個條件對于線程T1來說已經滿足了，此時線程T2要通知線程T1，告訴它調用需要的條件已經滿足了。
那麼線程T2怎麼通知線程T1？線程T2調用
A.notify()
來通知A等待隊列中的一個線程，此時這個線程裡面隻有T1，是以notify喚醒的就是線程T1，如果當這個條件變量的等待隊列不止T1一個線程，我們就需要使用notifyAll()。
當線程T1得到通知後，會從等待隊列中出來，重新進入到入口等待隊列中。
使用代碼說明就如下：（代碼來自參考[1]）
注意，
await()
和前面的
wait()
的語義是一樣的；
signal()
notify()
語義是一樣的（沒有提到的
signalAll()
和
notifyAll()
語義也是一樣的）。
public class BlockedQueue<T>{
final Lock lock = new ReentrantLock();
// 條件變量：隊列不滿
final Condition notFull = lock.newCondition();
// 條件變量：隊列不空
final Condition notEmpty = lock.newCondition();
// 入隊
void enq(T x) {
lock.lock();
try {
while (隊列已滿){
// 等待隊列不滿
notFull.await();
}
// 省略入隊操作...
// 入隊後, 通知可出隊
notEmpty.signal();
}finally {
lock.unlock();
}
}
// 出隊
void deq(){
lock.lock();
try {
while (隊列已空){
// 等待隊列不空
notEmpty.await();
}
// 省略出隊操作...
// 出隊後，通知可入隊
notFull.signal();
}finally {
lock.unlock();
}
}
}
wait()的正确使用姿勢
對于MESA管程來說，有一個程式設計範式：
while(條件不滿足) {
wait();
}
我們在前面介紹等待-通知機制時就提到過這種範式。這個範式可以解決“條件曾将滿足過”這個問題。喚醒的時間和擷取到鎖繼續執行的時間是不一緻的，被喚醒的線程再次執行時可能條件又不滿足了，是以循環檢驗條件。
MESA模型的wait()方法還有一個逾時參數，為了避免線程進入等待隊列永久阻塞。
notify()和notifyAll()分别何時使用
滿足以下三個條件時，可以使用notify()，其餘情況盡量使用notifyAll()：
- 所有等待線程擁有相同的等待條件；
- 所有等待線程被喚醒後，執行相同的操作；
- 隻需要喚醒一個線程。
三種管程模型在通知線程上的差別
Hasen模型、Hoare模型和MESA模型的一個核心差別是當條件滿足後，如何通知相關線程。
管程要求同一時刻隻允許一個線程執行，那當線程T2的操作使得線程T1等待的條件滿足時，T1和T2究竟誰可以執行呢？
- 在Hasen模型裡，要求notify()放在代碼的最後，這樣T2通知完T1後，T2就結束了，然後T1再執行這樣就可以保證同一時刻隻有一個線程執行。
- 在Hoare模型裡面，T2通知完T1後，T2阻塞，T1馬上執行；等T1執行完，再喚醒t2。比起Hasen模型，T2多了一次阻塞喚醒操作。
- 在MESA管程裡，T2通知完T1後，T2還是會接着執行，T1并不立即執行，僅僅是從條件變量的等待隊列進入到入口等待隊列中（但是T1再次執行時，可能條件又不滿足了，是以需要循環防方式檢驗條件變量）。這樣的好處是：notify()代碼不用放到代碼的最後，T2也沒有多餘的阻塞喚醒操作。
Java語言的内置管程synchronized
Java 參考了 MESA 模型，語言内置的管程（synchronized）對 MESA 模型進行了精簡。MESA 模型中，條件變量可以有多個，Java 語言内置的管程裡隻有一個條件變量。模型如下圖所示。（圖來自參考[1]）
Java 内置的管程方案（synchronized）使用簡單，synchronized 關鍵字修飾的代碼塊，在編譯期會自動生成相關加鎖和解鎖的代碼，但是僅支援一個條件變量；而 Java SDK 并發包實作的管程支援多個條件變量，不過并發包裡的鎖，需要我們自己進行加鎖和解鎖操作。
小結
開始本來打算不寫這篇學習筆記的，但是思考了一下，Java并發實作本就是源于作業系統中的管程，既然要好好介紹Java并發那麼它的來源也應該要好好介紹一下。在學習一個知識的時候，其背後的理論也要好好掌握。
參考：
[1]極客時間專欄王寶令《Java并發程式設計實戰》
每天進步一點點，不要停止前進的腳步~