面试突击 24:为什么 wait 和 notify 必须放在 synchronized 中?
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:
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:
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:
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。
是非审之于己,毁誉听之于人,得失安之于数。
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