Java 中的 Monitor 机制详解

1. 简介

在并发编程中，线程之间的同步与协作是关键问题之一。Java 提供了多种机制来解决这些问题，其中 synchronized 关键字背后的核心机制就是 Monitor（监视器）。本文将从概念、特性、Java 实现方式等多个角度深入解析 Monitor 机制，并结合实际代码示例帮助你更好地理解和使用。

2. 什么是 Monitor？

Monitor 是一种同步机制，它为线程提供两个核心能力：

✅ 互斥访问（Mutual Exclusion）：确保同一时刻只有一个线程可以执行某个关键代码段
✅ 线程协作（Cooperation）：允许线程等待某些条件成立后再继续执行，比如使用 wait() 和 notify()

Monitor 之所以被称为“监视器”，是因为它监视着多个线程对共享资源的访问。

Monitor 概念最早在 1970 年代初由 P.B. Hansen 在论文《Shared Classes》中提出，随后由 C.A.R. Hoare 在《Monitors – an Operating System Structuring Concept》中进一步完善，并提出了使用信号量（Semaphore）实现 Monitor 的模型。

3. Monitor 的核心特性

Monitor 在并发编程中提供了以下三个关键特性：

互斥执行：同一时间只允许一个线程进入临界区
条件等待：线程可以在 Monitor 中等待某个条件成立
通知机制：一个线程可以通知其他等待中的线程，条件已经满足

这些特性使得 Monitor 成为实现线程安全和协作的重要工具。

4. Java 中 Monitor 的实现原理

Java 使用 synchronized 关键字作为 Monitor 机制的语法糖。它用于标记临界区（Critical Section），即多个线程可能同时访问的代码区域。

你可以将 synchronized 用于：

✅ 方法级别（synchronized 方法）
✅ 代码块级别（synchronized 语句块）

4.1. 方法 vs 代码块同步

同步方式	优点	缺点
方法同步	简单易用，推荐新手使用	粒度粗，可能影响性能
代码块同步	控制更精细，安全性更高	使用复杂，容易出错

从安全角度考虑，使用私有锁对象进行同步（如 private final Object lock = new Object();）是更推荐的做法。

4.2. Monitor 的类比理解：建筑与房间模型

Java 的 Monitor 实现基于两个核心概念：

Entry Set（入口集合）
Wait Set（等待集合）

我们可以用“建筑与房间”的类比来理解 Monitor 的工作机制：

整个 Monitor 是一座建筑
“临界资源”是里面的一个“专属房间”
Entry Set 是“大厅”，线程在这里排队等待进入房间
Wait Set 是“等候室”，线程在这里等待特定条件满足
线程就是想要进入房间的人

MonitorsAnalogy

线程进入 Monitor 的过程如下：

✅ 进入建筑：尝试进入 Monitor（调用 synchronized）
✅ 进入专属房间：获取 Monitor 锁（进入临界区）
✅ 在房间内执行：持有 Monitor（执行临界代码）
✅ 离开房间：释放 Monitor 锁
✅ 离开建筑：退出 Monitor（退出同步块）

如果线程调用了 wait()，它会释放 Monitor 并进入 Wait Set，直到其他线程调用 notify() 将其唤醒。

JVM 的线程调度器通常使用优先级调度算法，同优先级下使用 FIFO（先进先出）策略决定线程执行顺序。

5. wait() 与 notify() 方法详解

wait() 和 notify() 是 Monitor 机制中用于线程协作的关键方法，必须在 synchronized 块中使用。

✅ wait() 方法

synchronized (lock) {
    while (!condition) {
        lock.wait();  // 释放锁并进入等待状态
    }
    // 条件满足后继续执行
}

⚠️ 注意：wait() 会释放当前线程持有的 Monitor 锁，并进入 Wait Set，直到被其他线程唤醒。

✅ notify() 方法

synchronized (lock) {
    condition = true;
    lock.notify();  // 唤醒一个等待中的线程
}

notify() 会唤醒一个在 Wait Set 中等待的线程，但不会立即释放锁，唤醒的线程会在当前线程退出同步块后才重新竞争锁。

6. 小结

Monitor 是 Java 并发编程中的核心机制，隐藏在 synchronized 关键字的背后。它通过 Entry Set 和 Wait Set 实现了线程的互斥访问与协作等待。

本文我们从 Monitor 的定义、特性、Java 实现机制、线程协作方法等多个角度进行了详细解析，并通过“建筑与房间”的类比加深了理解。

✅ 掌握 Monitor 的工作原理，有助于你写出更高效、安全的并发代码。

作者邮箱： dev@example.com
参考资料： Shared Classes, Monitors – an Operating System Structuring Concept

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