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面试突击24:为什么wait和notify必须放在synchronized中?

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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: 面试突击24:为什么wait和notify必须放在synchronized中?

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: 面试突击24:为什么wait和notify必须放在synchronized中? 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: 面试突击24:为什么wait和notify必须放在synchronized中? 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:

步骤线程1线程2
1执行步骤 ① 判断当前队列中没有数据
2执行步骤 ③ 将数据添加到队列,并唤醒线程1继续执行
3执行步骤 ② 线程 1 进入休眠状态

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:

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

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。 ​

是非审之于己,毁誉听之于人,得失安之于数。

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