管程

本文介绍了管程的概念及其在进程间同步操作中的作用。通过集中管理临界区,管程能够有效防止进程间的同步错误并简化编程过程。

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1、what's this?

1-1:将分散在各个进程中的临界区集中管理起来,并将共享资源用数据结构抽象地表示出来;

1-2:建立一个“秘书”程序来管理到来的访问;

1-3:秘书每次只让一个进程来访;

这个秘书就是管程。更正式的定义:一个管程定义了一个数据结构和能为并发进程所执行的在该数据结构上的一组操作,这组操作能同步进程和改变管程中的数据。

特点

共享性:管程被所有管理的进程所共享;安全性:管程的局部变量(数据结构)是私有的;互斥性:只有一个调用者可以进入管程(每次只允许一个)

2、why this?

背景:原本进程之间的同步操作由pv操作去控制,但pv操作大量分布于各个进程之中,难以管理,也容易发生死锁。

目的:引入管程的目的就是将各个进程之中的临界区集中起来管理,防止进程违反同步操作。如此也便于使用者去调用管程来书写程序。即封装了同步操作的细节,使得上层编程人员无需多了解,专心于自己的任务即可,程序也显得一目了然,正确性也比较容易验证。

3、how to use this?



### 管程机制的概念及其实现 #### 管程的基本概念 管程是一种用于解决并发编程中同步和互斥问题的经典机制。它的基本思想是由 C.A.R. Hoare 提出,通过封装共享变量以及对其的操作来实现线程间的协调[^1]。具体来说,管程将一组共享数据与其上的操作函数绑定在一起,并提供了特定的规则以确保这些操作能够安全地被执行。 #### 管程作用 在并发环境中,管程主要解决了两大核心问题: 1. **互斥**:在同一时间点上仅允许一个线程访问某些临界区内的资源。这可以通过限制只有一个线程能进入管程内部来达成目标[^4]。 2. **同步**:允许多个线程间进行有效的通信与协作。为此,管程引入了条件变量和等待队列,使得线程可以在满足一定条件下继续运行或者暂时挂起直到条件成立为止。 #### Java 中的管程实现 虽然 Java 并未直接提供名为 “Monitor” 的关键字或类库支持显式的定义管程对象,但是其内置的关键字 `synchronized` 和相关 API 如 `wait()`、`notify()` 方法实际上隐含着基于管程原理的设计模式[^5]: - 使用 `synchronized` 块/方法可以构建类似于传统意义上描述的那种单入口多出口形式的监视器区域; - 而调用某个对象上的 `wait()` 则会让当前持有该对象锁的线程释放掉此锁定并加入到相应的等待集合当中;一旦其他地方触发了针对相同实例所关联的通知事件(`notify()`)之后,则会挑选其中一个合适的候选者使其脱离休眠状态进而尝试重新获取先前放弃的那个独占权限以便恢复正常的业务逻辑流程执行下去。 以下是利用上述特性模仿经典生产者消费者场景的一个简化版本代码示例: ```java class Buffer { private int content; private boolean available = false; public synchronized void produce(int value) throws InterruptedException { while (available) { // 防止多次写入 wait(); } content = value; available = true; notifyAll(); // 唤醒可能存在的消费者线程 } public synchronized int consume() throws InterruptedException { while (!available) { // 防止读取空缓冲区 wait(); } available = false; notifyAll(); // 唤醒可能存在的生产者线程 return content; } } public class ProducerConsumerExample { public static void main(String[] args) { final Buffer buffer = new Buffer(); Thread producer = new Thread(() -> { try { for (int i = 0; i < 5; ++i) { System.out.println("Producing " + i); buffer.produce(i); Thread.sleep(100); // Simulate delay } } catch (InterruptedException e) {} }); Thread consumer = new Thread(() -> { try { for (int i = 0; i < 5; ++i) { int consumedValue = buffer.consume(); System.out.println("Consumed " + consumedValue); Thread.sleep(100); // Simulate delay } } catch (InterruptedException e) {} }); producer.start(); consumer.start(); } } ``` 在这个例子里面展示了如何借助 java 自带的语言特性和标准库功能轻松搭建起一套遵循 monitor pattern 思路的应用框架出来. ---
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