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为什么wait()、notify()和notifyAll()必须在同步机制中才能正常运行？

前言

大家好，我是闫工！今天我们要探讨一个看似简单却至关重要的问题：为什么wait()、notify()和notifyAll()这三个方法必须在同步机制中才能正常工作？

这个问题听起来好像很简单，但其实背后涉及到Java内存模型、线程同步以及锁机制的原理。作为一个有着丰富一线开发经验的老司机，今天我来带大家从一个全新的角度理解这个问题。

一、让我们先来复习一下基础知识

1.1 什么是wait()？

wait()是Object类中的一个方法，它会使得当前线程进入等待状态，并释放当前锁。简单来说，就是让当前执行的线程暂停执行，直到被其他线程唤醒。

代码示例：

publicclassTest{publicstaticvoidmain(String[]args){Objectlock=newObject();synchronized(lock){// 进入同步块，获取锁System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"开始等待...");try{lock.wait();// 当前线程进入等待状态，并释放锁}catch(InterruptedExceptione){e.printStackTrace();}}}}

1.2 notify()的作用

notify()同样是Object类中的方法，它的作用是唤醒一个正在等待的线程。注意，这里说的是“一个”线程，而不是全部。

代码示例：

publicclassTest{publicstaticvoidmain(String[]args){Objectlock=newObject();synchronized(lock){// 获取锁System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"正在运行...");try{lock.notify();// 唤醒一个等待的线程}catch(Exceptione){e.printStackTrace();}}}}

1.3 notifyAll()的作用

notifyAll()与notify()类似，但它会唤醒所有正在等待的线程。这意味着如果有多个线程在等待某个锁，notifyAll()会让它们全部进入就绪状态。

代码示例：

publicclassTest{publicstaticvoidmain(String[]args){Objectlock=newObject();synchronized(lock){// 获取锁System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"正在运行...");try{lock.notifyAll();// 唤醒所有等待的线程}catch(Exceptione){e.printStackTrace();}}}}

二、为什么这三个方法必须在同步块中使用？

2.1 不在同步块中使用会有什么后果？

现在我们来探讨关键问题：如果不在同步机制中使用这些方法，会发生什么？

假设我们有以下代码：

publicclassTest{publicstaticvoidmain(String[]args){Objectlock=newObject();// 注意这里没有加synchronized关键字try{lock.wait();// 不在同步块中调用wait()}catch(InterruptedExceptione){e.printStackTrace();}}}

运行这段代码，编译器不会报错，但运行时会抛出一个IllegalMonitorStateException异常。

为什么会这样？

因为wait()、notify()和notifyAll()都是与锁机制紧密相关的。它们必须在当前线程拥有该对象的锁时才能被调用。如果不在同步块中使用，程序就会试图操作一个没有上锁的对象，这显然是不安全的。

2.2 内存可见性问题

如果我们不使用同步机制，就无法保证内存可见性。例如：

假设有两个线程A和B：

• 线程A修改了一个共享变量。
• 线程B试图读取这个变量。

如果没有同步机制，线程B可能读取到的是一个过时的值，因为Java虚拟机（JVM）可能会缓存这个变量。这就是所谓的内存可见性问题。

示例代码：

publicclassTest{privatebooleanflag=false;publicstaticvoidmain(String[]args)throwsInterruptedException{Testtest=newTest();ThreadthreadA=newThread(()->{try{// 线程A的逻辑System.out.println("线程A开始运行...");test.flag=true;// 修改共享变量System.out.println("线程A修改了flag的值为true...");test.lock.wait();// 不在同步块中调用wait()}catch(InterruptedExceptione){e.printStackTrace();}});ThreadthreadB=newThread(()->{try{// 线程B的逻辑System.out.println("线程B开始运行...");while(!test.flag){// 试图读取共享变量System.out.println("线程B正在等待flag变为true...");Thread.sleep(100);}System.out.println("线程B检测到flag为true，继续执行...");}catch(InterruptedExceptione){e.printStackTrace();}});threadA.start();threadB.start();}}

运行这段代码可能会出现以下情况：

• 线程B可能永远无法读取到flag的最新值（即true），导致无限循环。

这是因为没有同步机制，线程B无法看到线程A对共享变量所做的修改。这就是内存可见性问题的一个典型表现。

2.3 解决方案：使用synchronized关键字

为了解决上述问题，我们需要将这些方法放在同步块中，以确保内存可见性和互斥访问。

修改后的代码：

publicclassTest{privatebooleanflag=false;publicstaticvoidmain(String[]args)throwsInterruptedException{Testtest=newTest();ThreadthreadA=newThread(()->{synchronized(test){// 使用synchronized关键字try{System.out.println("线程A开始运行...");test.flag=true;// 修改共享变量System.out.println("线程A修改了flag的值为true...");test.lock.wait();// 在同步块中调用wait()}catch(InterruptedExceptione){e.printStackTrace();}}});ThreadthreadB=newThread(()->{synchronized(test){// 使用synchronized关键字try{System.out.println("线程B开始运行...");while(!test.flag){// 试图读取共享变量System.out.println("线程B正在等待flag变为true...");test.lock.wait();// 在同步块中调用wait()}System.out.println("线程B检测到flag为true，继续执行...");}catch(InterruptedExceptione){e.printStackTrace();}}});threadA.start();threadB.start();}}

现在，当线程A修改了flag的值后，它会调用wait()并释放锁。此时，线程B可以获取到这个锁，并读取到最新的flag值。

三、总结

通过上述分析，我们可以得出以下结论：

1. wait()、notify()和notifyAll()必须在同步块中使用，否则会导致IllegalMonitorStateException异常。
2. 不在同步块中使用这些方法可能会导致内存可见性问题，从而引发程序逻辑错误。
3. 使用synchronized关键字可以确保线程之间的互斥访问和内存可见性。

因此，在多线程编程中，我们必须严格遵守这些规则，以避免潜在的程序 bug。

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