為什么wait/notify必須要和synchronized一起使用？

作者 | 磊哥

來源 | Java面試真題解析（ID：aimianshi666）

轉載請聯(lián)系授權（微信ID：GG_Stone）

在多線程編程中，wait 方法是讓當前線程進入休眠狀態(tài)，直到另一個線程調(diào)用了 notify 或 notifyAll 方法之后，才能繼續(xù)恢復執(zhí)行。而在 Java 中，wait 和 notify/notifyAll 有著一套自己的使用格式要求，也就是在使用 wait 和 notify（notifyAll 的使用和 notify 類似，所以下文就只用 notify 用來指代二者）必須配合 synchronized 一起使用才行。

wait/notify基礎使用

wait 和 notify 的基礎方法如下：

Object?lock?=?new?Object();
new?Thread(()?->?{
????synchronized?(lock)?{
????????try?{
????????????System.out.println("wait?之前");
????????????//?調(diào)用?wait?方法
????????????lock.wait();
????????????System.out.println("wait?之后");
????????}?catch?(InterruptedException?e)?{
????????????e.printStackTrace();
????????}
????}
}).start();

Thread.sleep(100);
synchronized?(lock)?{
????System.out.println("執(zhí)行?notify");
????//?調(diào)用?notify?方法
????lock.notify();
}

以上代碼的執(zhí)行結果如下圖所示：

wait/notify和synchronized一起用？

那問題來了，是不是 wait 和 notify 一定要配合 synchronized 一起使用呢？wait 和 notify 單獨使用行不行呢？我們嘗試將以上代碼中的 synchronized 代碼行刪除，實現(xiàn)代碼如下：初看代碼好像沒啥問題，編譯器也沒報錯，好像能“正常使用”，然而當我們運行以上程序時就會發(fā)生如下錯誤：從上述結果可以看出：無論是 wait 還是 notify，如果不配合 synchronized 一起使用，在程序運行時就會報 IllegalMonitorStateException 非法的監(jiān)視器狀態(tài)異常，而且 notify 也不能實現(xiàn)程序的喚醒功能了。

原因分析

從上述的報錯信息我們可以看出，JVM 在運行時會強制檢查 wait 和 notify 有沒有在 synchronized 代碼中，如果沒有的話就會報非法監(jiān)視器狀態(tài)異常（IllegalMonitorStateException），但這也僅僅是運行時的程序表象，那為什么 Java 要這樣設計呢？其實這樣設計的原因就是為了防止多線程并發(fā)運行時，程序的執(zhí)行混亂問題。初看這句話，好像是用來描述“鎖”的。然而實際情況也是如此，wait 和 notify 引入鎖就是來規(guī)避并發(fā)執(zhí)行時程序的執(zhí)行混亂問題的。那這個“執(zhí)行混亂問題”到底是啥呢？接下來我們繼續(xù)往下看。

wait和notify問題復現(xiàn)

我們假設 wait 和 notify 可以不加鎖，我們用它們來實現(xiàn)一個自定義阻塞隊列。這里的阻塞隊列是指讀操作阻塞，也就是當讀取數(shù)據(jù)時，如果有數(shù)據(jù)就返回數(shù)據(jù)，如果沒有數(shù)據(jù)則阻塞等待數(shù)據(jù)，實現(xiàn)代碼如下：

class?MyBlockingQueue?{
????//?用來保存數(shù)據(jù)的集合
????Queue?queue?=?new?LinkedList<>();

????/**
?????*?添加方法
?????*/
????public?void?put(String?data)?{
????????//?隊列加入數(shù)據(jù)
????????queue.add(data);?
????????//?喚醒線程繼續(xù)執(zhí)行（這里的線程指的是執(zhí)行?take?方法的線程）
????????notify();?//?③
????}

????/**
?????*?獲取方法（阻塞式執(zhí)行）
?????*?如果隊列里面有數(shù)據(jù)則返回數(shù)據(jù)，如果沒有數(shù)據(jù)就阻塞等待數(shù)據(jù)
?????*?@return
?????*/
????public?String?take()?throws?InterruptedException?{
????????//?使用?while?判斷是否有數(shù)據(jù)（這里使用?while?而非?if?是為了防止虛假喚醒）
????????while?(queue.isEmpty())?{?//?①??
????????????//?沒有任務，先阻塞等待
????????????wait();?//?②
????????}
????????return?queue.remove();?//?返回數(shù)據(jù)
????}
}

注意上述代碼，我們在代碼中標識了三個關鍵執(zhí)行步驟：①：判斷隊列中是否有數(shù)據(jù)；②：執(zhí)行 wait 休眠操作；③：給隊列中添加數(shù)據(jù)并喚醒阻塞線程。如果不強制要求添加 synchronized，那么就會出現(xiàn)如下問題：

從上述執(zhí)行流程看出問題了嗎？如果 wait 和 notify 不強制要求加鎖，那么在線程 1 執(zhí)行完判斷之后，尚未執(zhí)行休眠之前，此時另一個線程添加數(shù)據(jù)到隊列中。然而這時線程 1 已經(jīng)執(zhí)行過判斷了，所以就會直接進入休眠狀態(tài)，從而導致隊列中的那條數(shù)據(jù)永久性不能被讀取，這就是程序并發(fā)運行時“執(zhí)行結果混亂”的問題。然而如果配合 synchronized 一起使用的話，代碼就會變成以下這樣：

class?MyBlockingQueue?{
????//?用來保存任務的集合
????Queue?queue?=?new?LinkedList<>();

????/**
?????*?添加方法
?????*/
????public?void?put(String?data)?{
????????synchronized?(MyBlockingQueue.class)?{
????????????//?隊列加入數(shù)據(jù)
????????????queue.add(data);
????????????//?為了防止?take?方法阻塞休眠，這里需要調(diào)用喚醒方法?notify
????????????notify();?//?③
????????}
????}

????/**
?????*?獲取方法（阻塞式執(zhí)行）
?????*?如果隊列里面有數(shù)據(jù)則返回數(shù)據(jù)，如果沒有數(shù)據(jù)就阻塞等待數(shù)據(jù)
?????*?@return
?????*/
????public?String?take()?throws?InterruptedException?{
????????synchronized?(MyBlockingQueue.class)?{
????????????//?使用?while?判斷是否有數(shù)據(jù)（這里使用?while?而非?if?是為了防止虛假喚醒）
????????????while?(queue.isEmpty())?{??//?①
????????????????//?沒有任務，先阻塞等待
????????????????wait();?//?②
????????????}
????????}
????????return?queue.remove();?//?返回數(shù)據(jù)
????}
}

這樣改造之后，關鍵步驟 ① 和關鍵步驟 ② 就可以一起執(zhí)行了，從而當線程執(zhí)行了步驟 ③ 之后，線程 1 就可以讀取到隊列中的那條數(shù)據(jù)了，它們的執(zhí)行流程如下：

這樣咱們的程序就可以正常執(zhí)行了，這就是為什么 Java 設計一定要讓 wait 和 notify 配合上 synchronized 一起使用的原因了。

總結

本文介紹了 wait 和 notify 的基礎使用，以及為什么 wait 和 notify/notifyAll 一定要配合 synchronized 使用的原因。如果 wait 和 notify/notifyAll 不強制和 synchronized 一起使用，那么在多線程執(zhí)行時，就會出現(xiàn) wait 執(zhí)行了一半，然后又執(zhí)行了添加數(shù)據(jù)和 notify 的操作，從而導致線程一直休眠的缺陷。

是非審之于己，毀譽聽之于人，得失安之于數(shù)。

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