管程

一、是什么？

管程，是由一组数据以及定义在这组数据上的操作组成的模块或软件包。

管程的组成：

• 局部于管程内部的数据说明，对外而言是共享数据
• 对该数据结构进行操作的一组数据
• 对局部于管程的共享数据设置初始值的语句

管程的特性：

• 局部于管程的数据只能被管程内的过程访问
• 一个进程只有通过管程内的过程才能访问共享数据
• 每次仅允许一个进程在管程内执行某个过程

简单来说：

• 管程就是封装了临界区和互斥操作的实现，保证只有一个进程可以访问临界区
• 管程是一个编程语言成分，它不是由程序员来保证互斥访问，而是由编译器来实现

管程和信号量的区别是啥？

• 管程实际上是在信号量的基础上，再封装了一层，保证同步以及互斥
• 管程是一种高级同步原语，信号量则是一种低级同步原语

二、为什么？

引入管程的目的有：

• 为了解决临界区分散所带来的管理和控制问题
• 使用信号量控制临界区，每次都需要在临界区内写 P、V 操作，很容易就写错了
• 管程相当于把 P、V 操作移到了管程内部来统一实现，有效地避免了分散和难管理的问题

比如说，采用信号量访问临界区时：

P(S)
count++;
V(S);

...

P(S)
count--;
V(S)

...

P(S)
count = 1;
V(S)

每次访问共享变量，就必须采用 P、V 操作，这样临界区就很分散（比如这里就分了3个临界区）。

如果在某个临界区，忘记写 P 或 V 操作了，必然会导致某种问题，比如并发不安全，永远阻塞等。

为了避免这种分散，不好管理，就出现了管程：

monitor counter {
    int count;
    void increment() {
        count++;
    }
    void decrement() {
        count--;
    }
    void set(int c) {
        count = c;
    }
}

counter.increment();
counter.decrement();
counter.set(1);

注意，管程保证了同一时刻内只会有一个进程，所以没有并发问题。

管程，就是提供了很方便的接口给我们使用，并且还帮我们实现了同步和互斥。

三、怎么用？

管程是一种编程语言成分，也就是说，使用管程，必须是语言自身支持才行。

管程的互斥实现，是编译器负责的。

就比如说，java 中的 synchronized 关键字，实际上底层就利用了管程：

synchronized increment (lock) {
    count++;
}

synchronized 关键字保护的临界区，可以保证只有1个线程能访问，底层实际上由管程对象来实现的。

访问 synchronized 的临界区时，必须先获取 lock 锁对象对应的管程对象。