为什么wait和notify必须放在synchronized中使用

前言：

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：

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&ldquo;执行结果混乱&rdquo;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：

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。

来源：https://juejin.cn/post/7067322092936495112