为什么wait和notify必须放在synchronized中？

爱被打了一巴掌 2023-10-01 21:00 13阅读 0赞

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作者 | 磊哥

来源 | Java面试真题解析（ID：aimianshi666）

转载请联系授权（微信ID：GG\_Stone）

在多线程编程中，wait 方法是让当前线程进入休眠状态，直到另一个线程调用了 notify 或 notifyAll 方法之后，才能继续恢复执行。而在 Java 中，wait 和 notify/notifyAll 有着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 类似，所以下文就只用 notify 用来指代二者）必须配合 synchronized 一起使用才行。

### wait/notify基础使用 ###

wait 和 notify 的基础方法如下：

Object lock = new Object();
    new Thread(() -> {
        synchronized (lock) {
            try {
                System.out.println("wait 之前");
                // 调用 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("执行 notify");
        // 调用 notify 方法
        lock.notify();
    }

以上代码的执行结果如下图所示：![d02d138b9968d32f6974a1dab6225cf8.png][]

### wait/notify和synchronized一起用？ ###

那问题来了，是不是 wait 和 notify 一定要配合 synchronized 一起使用呢？wait 和 notify 单独使用行不行呢？我们尝试将以上代码中的 synchronized 代码行删除，实现代码如下：![cd90c3ad91b8f84551210733ef0a1cd3.png][]初看代码好像没啥问题，编译器也没报错，好像能“正常使用”，然而当我们运行以上程序时就会发生如下错误：![f09cd519d976ede578dc6529d49a5a41.png][]从上述结果可以看出：**无论是 wait 还是 notify，如果不配合 synchronized 一起使用，在程序运行时就会报 IllegalMonitorStateException 非法的监视器状态异常，而且 notify 也不能实现程序的唤醒功能了。**

### 原因分析 ###

从上述的报错信息我们可以看出，JVM 在运行时会强制检查 wait 和 notify 有没有在 synchronized 代码中，如果没有的话就会报非法监视器状态异常（IllegalMonitorStateException），但这也仅仅是运行时的程序表象，那为什么 Java 要这样设计呢？其实这样设计的原因**就是为了防止多线程并发运行时，程序的执行混乱问题**。初看这句话，好像是用来描述“锁”的。然而实际情况也是如此，wait 和 notify 引入锁就是来规避并发执行时程序的执行混乱问题的。那这个“执行混乱问题”到底是啥呢？接下来我们继续往下看。

#### wait和notify问题复现 ####

我们假设 wait 和 notify 可以不加锁，我们用它们来实现一个自定义阻塞队列。这里的阻塞队列是指读操作阻塞，也就是当读取数据时，如果有数据就返回数据，如果没有数据则阻塞等待数据，实现代码如下：

class MyBlockingQueue {
        // 用来保存数据的集合
        Queue<String> queue = new LinkedList<>();
    
        /**
         * 添加方法
         */
        public void put(String data) {
            // 队列加入数据
            queue.add(data); 
            // 唤醒线程继续执行（这里的线程指的是执行 take 方法的线程）
            notify(); // ③
        }
    
        /**
         * 获取方法（阻塞式执行）
         * 如果队列里面有数据则返回数据，如果没有数据就阻塞等待数据
         * @return
         */
        public String take() throws InterruptedException {
            // 使用 while 判断是否有数据（这里使用 while 而非 if 是为了防止虚假唤醒）
            while (queue.isEmpty()) { // ①  
                // 没有任务，先阻塞等待
                wait(); // ②
            }
            return queue.remove(); // 返回数据
        }
    }

注意上述代码，我们在代码中标识了三个关键执行步骤：①：判断队列中是否有数据；②：执行 wait 休眠操作；③：给队列中添加数据并唤醒阻塞线程。如果不强制要求添加 synchronized，那么就会出现如下问题：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>步骤</th> 
   <th>线程1</th> 
   <th>线程2</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>1</td> 
   <td>执行步骤 ① 判断当前队列中没有数据</td> 
   <td><br></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>2</td> 
   <td><br></td> 
   <td>执行步骤 ③ 将数据添加到队列，并唤醒线程1继续执行</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>3</td> 
   <td>执行步骤 ② 线程 1 进入休眠状态</td> 
   <td><br></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

从上述执行流程看出问题了吗？**如果 wait 和 notify 不强制要求加锁，那么在线程 1 执行完判断之后，尚未执行休眠之前，此时另一个线程添加数据到队列中。然而这时线程 1 已经执行过判断了，所以就会直接进入休眠状态，从而导致队列中的那条数据永久性不能被读取，这就是程序并发运行时“执行结果混乱”的问题。**然而如果配合 synchronized 一起使用的话，代码就会变成以下这样：

class MyBlockingQueue {
        // 用来保存任务的集合
        Queue<String> queue = new LinkedList<>();
    
        /**
         * 添加方法
         */
        public void put(String data) {
            synchronized (MyBlockingQueue.class) {
                // 队列加入数据
                queue.add(data);
                // 为了防止 take 方法阻塞休眠，这里需要调用唤醒方法 notify
                notify(); // ③
            }
        }
    
        /**
         * 获取方法（阻塞式执行）
         * 如果队列里面有数据则返回数据，如果没有数据就阻塞等待数据
         * @return
         */
        public String take() throws InterruptedException {
            synchronized (MyBlockingQueue.class) {
                // 使用 while 判断是否有数据（这里使用 while 而非 if 是为了防止虚假唤醒）
                while (queue.isEmpty()) {  // ①
                    // 没有任务，先阻塞等待
                    wait(); // ②
                }
            }
            return queue.remove(); // 返回数据
        }
    }

这样改造之后，关键步骤 ① 和关键步骤 ② 就可以一起执行了，从而当线程执行了步骤 ③ 之后，线程 1 就可以读取到队列中的那条数据了，它们的执行流程如下：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>步骤</th> 
   <th>线程1</th> 
   <th>线程2</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>1</td> 
   <td>执行步骤 ① 判断当前队列没有数据</td> 
   <td><br></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>2</td> 
   <td>执行步骤 ② 线程进入休眠状态</td> 
   <td><br></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>3</td> 
   <td><br></td> 
   <td>执行步骤 ③ 将数据添加到队列，并执行唤醒操作</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>4</td> 
   <td>线程被唤醒，继续执行</td> 
   <td><br></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>5</td> 
   <td>判断队列中有数据，返回数据</td> 
   <td><br></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

这样咱们的程序就可以正常执行了，这就是为什么 Java 设计一定要让 wait 和 notify 配合上 synchronized 一起使用的原因了。

### 总结 ###

本文介绍了 wait 和 notify 的基础使用，以及为什么 wait 和 notify/notifyAll 一定要配合 synchronized 使用的原因。如果 wait 和 notify/notifyAll 不强制和 synchronized 一起使用，那么在多线程执行时，就会出现 wait 执行了一半，然后又执行了添加数据和 notify 的操作，从而导致线程一直休眠的缺陷。

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