编者注：本文为历史博文归档；涉及 JDK、框架与工具链版本请以当前官方文档为准。引用外链图片可能失效，阅读时请注意时效性。

在面试中，您可能会遇到这样的问题：锁（Lock）和监视器（Monitor）之间有什么区别？ 要回答这个问题，必须对 Java 多线程在后台的工作机制有足够的了解。

答案其实很简短：锁为实现监视器提供了必要的支持。 详细的解释如下。

锁（Lock）

锁是一种数据结构，逻辑上是堆内存中对象标头（Object Header）的一部分。JVM 中的每个对象都具有此锁（或称互斥锁，Mutex），任何程序均可使用该锁来协调对对象的多线程访问。

  • 所有权机制：如果有任何线程想要访问该对象的实例变量，线程必须首先“拥有”对象的锁（即在锁存储区中设置特定标志）。
  • 阻塞机制：试图访问该对象变量的所有其他线程必须等待，直到拥有锁的线程释放该对象的锁（取消设置标志）。
  • 可重入性：线程拥有锁后，它可以多次请求相同的锁。但是在将锁提供给其他线程之前，必须释放相同的次数。例如，如果一个线程请求了三次锁，则该线程将继续拥有该锁，直到它“释放”了三次。

请注意，当线程明确要求锁时，它是由线程获得的。在 Java 中，这是通过 synchronized 关键字或通过 wait() 和 notify() 方法来完成的。

监视器（Monitor）

监视器是一种同步构造，它允许线程具有互斥（使用锁）和协作功能。即使线程能够等待某些条件成立（使用等待集，Wait-Set），监视器也能管理这些行为。

换句话说，连同实现锁的数据，每个 Java 对象在逻辑上均与实现等待集的数据相关联。

  • 锁的作用：帮助线程在共享数据上独立工作而不会互相干扰。
  • 等待集的作用：帮助线程相互协作，共同朝着一个目标努力。例如，所有等待线程都将移至该等待集，并在锁定被释放后收到通知。

此等待集通过锁（互斥量）的辅助来帮助构建监视器。

互斥（Mutual Exclusion）

用简单的话来说，监视器就像一栋建筑物，其中包含一个特殊的房间（对象实例），一次只能占用一个线程。房间中通常包含一些需要防止并发访问的数据。

  • 进入监视器：从线程进入该房间的时间到它离开的时间，它都可以独占访问该房间中的任何数据。
  • 获取监视器：进入建筑物内的特殊房间。
  • 拥有监视器：占领房间。
  • 释放监视器：离开房间。
  • 退出监视器：离开整个建筑物。

当线程到达以访问受保护的数据（进入特殊房间）时，首先将其放入建筑物接收队列中（入口集，Entry Set）。

  1. 如果没有其他线程在等待（监视器未被拥有），则该线程获取锁并继续执行受保护的代码。
  2. 线程完成执行后，它将释放锁并退出建筑物（退出监视器）。

如果一个线程到达并且另一个线程已经拥有监视器，则它必须在接收队列中等待（入口集）。当前所有者退出监视器时，新到达的线程必须与也在入口集中等待的任何其他线程竞争。只有一个线程会赢得比赛并拥有锁。

注意：在单纯的互斥场景中，等待集（Wait Set）并不发挥作用。

协作（Cooperation）

通常，互斥仅在多个线程共享数据或其他资源时才重要。如果两个线程不使用任何公共数据或资源，则它们通常不会相互干扰，也不必以互斥的方式执行。互斥有助于防止线程在共享数据时相互干扰，而协作则可以帮助线程一起朝着某个共同的目标努力。

当一个线程需要某些数据处于特定状态，而另一个线程负责使数据进入该状态时，合作非常重要。例如生产者/消费者问题：

  • 读取线程需要缓冲区处于“非空”状态才可以从缓冲区读取任何数据。如果读取线程发现缓冲区为空，则必须等待。
  • 写线程负责用数据填充缓冲区。一旦写入线程完成了写入操作，读取线程便可以进行更多读取操作。

有时也称为“等待并通知（Wait and Notify）”或“发出信号并继续（Signal and Continue）”监视器。因为它保留了监视器的所有权，并在需要时继续执行监视器区域。在稍后的某个时间，通知线程释放监视器，并且等待线程恢复拥有该锁。

这种合作需要入口集（Entry Set）和等待集（Wait Set）。下面给出的图将帮助您理解这种合作。

javamonitor.gif

上图将监视器显示为三个矩形：

  • 中心：一个大矩形包含一个线程，即监视器的所有者。
  • 左侧：一个小矩形包含入口集（Entry Set）。
  • 右侧：另一个小矩形包含等待集（Wait Set）。

希望以上讨论将有助于您获得更多见解。欢迎随时提问。

学习愉快！

说明：本文基于 Java concurrency 基础理论撰写。JDK 不同版本中对于对象锁的具体实现（如偏向锁、轻量级锁等优化）可能存在差异，请以当前官方文档为准。