为什么wait和notify必须放在synchronized中使用

前言：

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： 

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： 

 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： 

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<>();

    
    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
    }

    
    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：

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<>();

    
    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
        }
    }

    
    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：

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。​

到此这篇关于为什么wait和notify必须放在synchronized中使用的文章就介绍到这了,更多相关wait与notify的使用内容请搜索编程网以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持编程网！