管程（Monitor）
引入背景
在基于信号量（Semaphore）的同步机制中，程序员需要显式地编写 P / V 操作来实现进程互斥与同步。这种方式存在以下问题：
- 编程复杂，逻辑不直观
- 容易因 P / V 操作顺序错误导致死锁或资源浪费
- 程序正确性依赖于程序员的高度自律
因此，人们提出了一种更高级的同步机制，用于在语言或系统层面封装同步细节，这就是管程。
管程的定义
管程是一种特殊的软件模块，用于管理共享资源，并保证对共享资源访问的互斥性和同步性。
从逻辑结构上看，管程将共享数据及其操作统一封装，对外仅暴露安全的访问接口。
管程的组成
一个完整的管程通常包含以下部分：
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局部于管程的共享数据结构
- 类似于模块的私有变量
- 只能被管程内部访问，外部进程无法直接操作
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对共享数据进行操作的一组过程（方法）
- 定义访问共享数据的唯一入口
- 负责实现具体的业务逻辑
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对共享数据的初始化语句
- 用于设置共享数据的初始状态
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管程的名称
- 用于标识该同步模块
管程的基本特征
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封装性
- 共享数据只能通过管程内部定义的过程进行访问
- 外部进程无法直接读写共享数据
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互斥性
- 任一时刻，只允许一个进程进入管程执行内部过程
- 多个进程对共享数据的访问天然互斥
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受控进入
- 进程只能通过调用管程中的方法进入管程
- 不存在绕过管程直接访问共享数据的情况
管程示意
在管程模型中：
- 进程通过调用管程中的方法请求进入
- 编译器或运行时系统自动保证互斥访问
- 程序员无需显式编写互斥代码
管程与进程同步
为了支持更复杂的同步需求，管程通常还会配合以下机制使用：
- 条件变量（Condition Variable）
- 等待（wait）与唤醒（signal）操作
通过条件变量，可以在管程内部实现进程之间的同步，而不仅仅是互斥访问。
典型应用场景包括：
- 生产者—消费者问题
- 读者—写者问题
- 有界缓冲区问题
管程的设计思想
- 将共享数据与同步逻辑统一封装
- 隐藏底层复杂的同步细节
- 为程序员提供结构化、易于使用的同步接口
- 降低并发程序的设计难度与出错概率
小结
- 管程是一种高级同步机制，用于替代直接使用信号量
- 管程通过封装共享数据和访问方法，实现互斥与同步
- 同步细节由系统或编译器负责，程序员只需关注业务逻辑
- 管程体现了良好的封装性与抽象性，是操作系统并发控制的重要思想之一