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：

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<>();

    /**
     * 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。
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是非审之于己，毁誉听之于人，得失安之于数。

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