Java專欄：為什么wait和notify必須放在synchronized中？

作者 | 磊哥

來(lái)源 | Java面試真題解析（ID：aimianshi666）

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在多線程編程中，wait 方法是讓當(dāng)前線程進(jìn)入休眠狀態(tài)，直到另一個(gè)線程調(diào)用了 notify 或 notifyAll 方法之后，才能繼續(xù)恢復(fù)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(lái)指代二者）必須配合 synchronized 一起使用才行。

wait/notify基礎(chǔ)使用

wait 和 notify 的基礎(chǔ)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(jié)果如下圖所示：

wait/notify和synchronized一起用？

那問題來(lái)了，是不是 wait 和 notify 一定要配合 synchronized 一起使用呢？wait 和 notify 單獨(dú)使用行不行呢？我們嘗試將以上代碼中的 synchronized 代碼行刪除，實(shí)現(xiàn)代碼如下：初看代碼好像沒啥問題，編譯器也沒報(bào)錯(cuò)，好像能“正常使用”，然而當(dāng)我們運(yùn)行以上程序時(shí)就會(huì)發(fā)生如下錯(cuò)誤：從上述結(jié)果可以看出：無(wú)論是 wait 還是 notify，如果不配合 synchronized 一起使用，在程序運(yùn)行時(shí)就會(huì)報(bào) IllegalMonitorStateException 非法的監(jiān)視器狀態(tài)異常，而且 notify 也不能實(shí)現(xiàn)程序的喚醒功能了。

原因分析

從上述的報(bào)錯(cuò)信息我們可以看出，JVM 在運(yùn)行時(shí)會(huì)強(qiáng)制檢查 wait 和 notify 有沒有在 synchronized 代碼中，如果沒有的話就會(huì)報(bào)非法監(jiān)視器狀態(tài)異常（IllegalMonitorStateException），但這也僅僅是運(yùn)行時(shí)的程序表象，那為什么 Java 要這樣設(shè)計(jì)呢？其實(shí)這樣設(shè)計(jì)的原因就是為了防止多線程并發(fā)運(yùn)行時(shí)，程序的執(zhí)行混亂問題。初看這句話，好像是用來(lái)描述“鎖”的。然而實(shí)際情況也是如此，wait 和 notify 引入鎖就是來(lái)規(guī)避并發(fā)執(zhí)行時(shí)程序的執(zhí)行混亂問題的。那這個(gè)“執(zhí)行混亂問題”到底是啥呢？接下來(lái)我們繼續(xù)往下看。

wait和notify問題復(fù)現(xiàn)

我們假設(shè) wait 和 notify 可以不加鎖，我們用它們來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)自定義阻塞隊(duì)列。這里的阻塞隊(duì)列是指讀操作阻塞，也就是當(dāng)讀取數(shù)據(jù)時(shí)，如果有數(shù)據(jù)就返回?cái)?shù)據(jù)，如果沒有數(shù)據(jù)則阻塞等待數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)代碼如下：

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

????/**
?????*?添加方法
?????*/
????public?void?put(String?data)?{
????????//?隊(duì)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(duì)列里面有數(shù)據(jù)則返回?cái)?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(wù)，先阻塞等待
????????????wait();?//?②
????????}
????????return?queue.remove();?//?返回?cái)?shù)據(jù)
????}
}

注意上述代碼，我們?cè)诖a中標(biāo)識(shí)了三個(gè)關(guān)鍵執(zhí)行步驟：①：判斷隊(duì)列中是否有數(shù)據(jù)；②：執(zhí)行 wait 休眠操作；③：給隊(duì)列中添加數(shù)據(jù)并喚醒阻塞線程。如果不強(qiáng)制要求添加 synchronized，那么就會(huì)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(qiáng)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(shí)另一個(gè)線程添加數(shù)據(jù)到隊(duì)列中。然而這時(shí)線程 1 已經(jīng)執(zhí)行過(guò)判斷了，所以就會(huì)直接進(jìn)入休眠狀態(tài)，從而導(dǎo)致隊(duì)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(yùn)行時(shí)“執(zhí)行結(jié)果混亂”的問題。然而如果配合 synchronized 一起使用的話，代碼就會(huì)變成以下這樣：

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

????/**
?????*?添加方法
?????*/
????public?void?put(String?data)?{
????????synchronized?(MyBlockingQueue.class)?{
????????????//?隊(duì)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(duì)列里面有數(shù)據(jù)則返回?cái)?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(wù)，先阻塞等待
????????????????wait();?//?②
????????????}
????????}
????????return?queue.remove();?//?返回?cái)?shù)據(jù)
????}
}

這樣改造之后，關(guān)鍵步驟 ① 和關(guān)鍵步驟 ② 就可以一起執(zhí)行了，從而當(dāng)線程執(zhí)行了步驟 ③ 之后，線程 1 就可以讀取到隊(duì)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(shè)計(jì)一定要讓 wait 和 notify 配合上 synchronized 一起使用的原因了。

總結(jié)

本文介紹了 wait 和 notify 的基礎(chǔ)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(qiáng)制和 synchronized 一起使用，那么在多線程執(zhí)行時(shí)，就會(huì)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(dǎo)致線程一直休眠的缺陷。