阿里巴巴面试题： 为什么wait()和notify()需要搭配synchonized关键字使用

本文主要参考

Oracle官方文档Guarded Block

Why wait(), notify(), notifyAll() must be called inside a synchronized method/block?

Why must wait() always be in synchronized block

阅读前小测验

评论区有读者反馈文章内容难懂， 于是特意在文章开始前加一小段代码，辅助不熟悉 wait 和 notify 的读者理解。

请预测一下下面一段程序在 10 秒之内 的输出结果是什么，如果判断正确的话， 那么后续的内容介绍应该不会令你感到困惑

package com;

public class SyncThread implements Runnable {
    private static int count;
    private static String lock = "lock";
    public SyncThread() {
        count = 0;
    }

    public void run() {
        synchronized (lock) {
            System.out.printf( Thread.currentThread().getName() + "enter ");
            try {
                lock.wait(10*1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        SyncThread syncThread = new SyncThread();
        Thread thread1 = new Thread(new SyncThread(), "SyncThread1");
        Thread thread2 = new Thread(new SyncThread(), "SyncThread2");
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

答案是：

SyncThread1 enter 
SyncThread2 enter 

先修知识：

• synchronized 的含义：

  • Java中每一个对象都可以成为一个监视器（Monitor）, 该Monitor由一个锁（lock）, 一个等待队列（waiting queue ）, 一个入口队列( entry queue).
  • 对于一个对象的方法， 如果没有synchronized关键字， 该方法可以被任意数量的线程，在任意时刻调用。
  • 对于添加了synchronized关键字的方法，任意时刻只能被唯一的一个获得了对象实例锁的线程调用。
  • synchronized用于实现多线程的同步操作

• wait()功用

  • wait(), notify(), notifyAll() 和 synchonized 需要搭配使用， 用于线程同步
  • wait()总是在一个循环中被调用，挂起当前线程来等待一个条件的成立。 Wait调用会一直等到其他线程调用notifyAll()时才返回。
  • 当一个线程在执行synchronized 的方法内部，调用了wait()后， 该线程会释放该对象的锁， 然后该线程会被添加到该对象的等待队列中（waiting queue）, 只要该线程在等待队列中， 就会一直处于闲置状态， 不会被调度执行。 要注意wait()方法会强迫线程先进行释放锁操作，所以在调用wait()时， 该线程必须已经获得锁，否则会抛出异常。由于wait()在synchonized的方法内部被执行， 锁一定已经获得， 就不会抛出异常了。
    

• notify()的功用

  • wait(), notify(), notifyAll() 和 synchonized 需要搭配使用， 用于线程同步
  • 当一个线程调用一个对象的notify()方法时， 调度器会从所有处于该对象等待队列（waiting queue）的线程中取出任意一个线程， 将其添加到入口队列( entry queue) 中. 然后在入口队列中的多个线程就会竞争对象的锁， 得到锁的线程就可以继续执行。 如果等待队列中（waiting queue）没有线程， notify()方法不会产生任何作用
  • notifyAll() 和notify()工作机制一样， 区别在于notifyAll()会将等待队列（waiting queue）中所有的线程都添加到入口队列中（entry queue）
  • 注意, notifyAll()比notify()更加常用， 因为notify()方法只会唤起一个线程， 且无法指定唤醒哪一个线程，所以只有在多个执行相同任务的线程在并发运行时， 我们不关心哪一个线程被唤醒时，才会使用notify()

为什么wait()和notify()或notifyAll()需要搭配synchronized关键字使用

• 从语义角度来讲， 一个线程调用了wait()之后， 必然需要由另外一个线程调用notify()来唤醒该线程， 所以本质上， wait()与notify()的成对使用， 是一种线程间的通信手段。
• 进一步分析， wait() 操作的调用必然是在等待某种条件的成立， 而条件的成立必然是由其他的线程来完成的。 所以实际上， 我们调用 wait() 的时候， 实际上希望达到如下的效果

// 线程A 的代码
while(!condition){ // 不能使用 if , 因为存在一些特殊情况， 使得线程没有收到 notify 时也能退出等待状态
    wait();
}
// do something

// 线程 B 的代码
if(!condition){ 
	// do something ...
    condition = true;
    notify();
}

• 现在考虑， 如果wait() 和 notify() 的操作没有相应的同步机制， 则会发生如下情况

1. 【线程A】 进入了 while 循环后（通过了 !condition 判断条件， 但尚未执行 wait 方法）, CPU 时间片耗尽， CPU 开始执行线程B的代码
2. 【线程B】 执行完毕了 condition = true; notify(); 的操作， 此时【线程A】的 wait() 操作尚未被执行， notify() 操作没有产生任何效果
3. 【线程A】执行wait() 操作， 进入等待状态，如果没有额外的 notify() 操作， 该线程将持续在 condition = true 的情形下， 持续处于等待状态得不到执行。

由此看出， 在使用 wait() 和 notify() 这种会挂起线程的操作时， 我们需要一种同步机制保证， condition 的检查与 wait() 操作， 以及 condition 的更新与 notify() 是互斥的。

• 那是否简单的将之前的代码包裹在一个 synchronized 代码块中就可以满足需求呢？ 像下面这样。

// 线程A 的代码
synchronized(obj_A)
{
	while(!condition){ 
	    wait();
	}
	// do something 
}

// 线程 B 的代码
synchronized(obj_A)
{
	if(!condition){ 
		// do something ...
	    condition = true;
	    notify();
	}
}

• 乍一看， 上述的代码可以解决问题， 但是仔细分析一下， 由于wait() 操作会挂起当前线程， 那么必然需要在挂起前释放掉 obj_A 的锁， 但如果 obj_A 允许是任意对象， wait() 函数作为一个没有参数输入的方法，无从得知应该释放哪个对象的锁 。于是很自然的， 语法就会被设计成 java 现在的样子。即基于对象的 wait() 与 notify() 的调用， 必须先获得该对象的锁。

• 正确的用法示例如下

// 线程 A 的代码
synchronized(obj_A)
{
	while(!condition){ 
	    obj_A.wait();
	}
	// do something 
}

// 线程 B 的代码
synchronized(obj_A)
{
	if(!condition){ 
		// do something ...
	    condition = true;
	    obj_A.notify();
	}
}