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。
是非审之于己,毁誉听之于人,得失安之于数。
公众号:Java面试真题解析
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