為什么 Wait 和 Notify 必須放在 Synchronized 中？
在多線程編程中，wait 方法是讓當前線程進入休眠狀態，直到另一個線程調用了 notify 或 notifyAll 方法之后，才能繼續恢復執行。而在 Java 中，wait 和 notify/notifyAll 有著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 類似，所以下文就只用 notify 用來指代二者)必須配合 synchronized 一起使用才行。
wait/notify基礎使用
wait 和 notify 的基礎方法如下：
Object lock = new Object();
new Thread(() -> {
synchronized (lock) {
try {
System.out.println("wait 之前");
// 調用 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("執行 notify");
// 調用 notify 方法
lock.notify();
}
以上代碼的執行結果如下圖所示：
wait/notify和synchronized一起用?
那問題來了，是不是 wait 和 notify 一定要配合 synchronized 一起使用呢?wait 和 notify 單獨使用行不行呢?我們嘗試將以上代碼中的 synchronized 代碼行刪除，實現代碼如下：
初看代碼好像沒啥問題，編譯器也沒報錯，好像能“正常使用”，然而當我們運行以上程序時就會發生如下錯誤：
從上述結果可以看出：無論是 wait 還是 notify，如果不配合 synchronized 一起使用，在程序運行時就會報 IllegalMonitorStateException 非法的監視器狀態異常，而且 notify 也不能實現程序的喚醒功能了。
原因分析
從上述的報錯信息我們可以看出，JVM 在運行時會強制檢查 wait 和 notify 有沒有在 synchronized 代碼中，如果沒有的話就會報非法監視器狀態異常(IllegalMonitorStateException)，但這也僅僅是運行時的程序表象，那為什么 Java 要這樣設計呢?其實這樣設計的原因就是為了防止多線程并發運行時，程序的執行混亂問題。初看這句話，好像是用來描述“鎖”的。然而實際情況也是如此，wait 和 notify 引入鎖就是來規避并發執行時程序的執行混亂問題的。那這個“執行混亂問題”到底是啥呢?接下來我們繼續往下看。
wait和notify問題復現
我們假設 wait 和 notify 可以不加鎖，我們用它們來實現一個自定義阻塞隊列。這里的阻塞隊列是指讀操作阻塞，也就是當讀取數據時，如果有數據就返回數據，如果沒有數據則阻塞等待數據，實現代碼如下：
class MyBlockingQueue {
// 用來保存數據的集合
Queue<String> queue = new LinkedList<>();
/**
* 添加方法
*/
public void put(String data) {
// 隊列加入數據
queue.add(data);
// 喚醒線程繼續執行（這里的線程指的是執行 take 方法的線程）
notify(); // ③
}
/**
* 獲取方法（阻塞式執行）
* 如果隊列里面有數據則返回數據，如果沒有數據就阻塞等待數據
* @return
*/
public String take() throws InterruptedException {
// 使用 while 判斷是否有數據（這里使用 while 而非 if 是為了防止虛假喚醒）
while (queue.isEmpty()) { // ①
// 沒有任務，先阻塞等待
wait(); // ②
}
return queue.remove(); // 返回數據
}
}
注意上述代碼，我們在代碼中標識了三個關鍵執行步驟：①：判斷隊列中是否有數據;②：執行 wait 休眠操作;③：給隊列中添加數據并喚醒阻塞線程。如果不強制要求添加 synchronized，那么就會出現如下問題：
步驟 | 線程1 | 線程2 |
1 | 執行步驟 ① 判斷當前隊列中沒有數據 | |
2 | 執行步驟 ③ 將數據添加到隊列，并喚醒線程1繼續執行 | |
3 | 執行步驟 ② 線程 1 進入休眠狀態 |
從上述執行流程看出問題了嗎?如果 wait 和 notify 不強制要求加鎖，那么在線程 1 執行完判斷之后，尚未執行休眠之前，此時另一個線程添加數據到隊列中。然而這時線程 1 已經執行過判斷了，所以就會直接進入休眠狀態，從而導致隊列中的那條數據永久性不能被讀取，這就是程序并發運行時“執行結果混亂”的問題。然而如果配合 synchronized 一起使用的話，代碼就會變成以下這樣：
class MyBlockingQueue {
// 用來保存任務的集合
Queue<String> queue = new LinkedList<>();
/**
* 添加方法
*/
public void put(String data) {
synchronized (MyBlockingQueue.class) {
// 隊列加入數據
queue.add(data);
// 為了防止 take 方法阻塞休眠，這里需要調用喚醒方法 notify
notify(); // ③
}
}
/**
* 獲取方法（阻塞式執行）
* 如果隊列里面有數據則返回數據，如果沒有數據就阻塞等待數據
* @return
*/
public String take() throws InterruptedException {
synchronized (MyBlockingQueue.class) {
// 使用 while 判斷是否有數據（這里使用 while 而非 if 是為了防止虛假喚醒）
while (queue.isEmpty()) { // ①
// 沒有任務，先阻塞等待
wait(); // ②
}
}
return queue.remove(); // 返回數據
}
}
這樣改造之后，關鍵步驟 ① 和關鍵步驟 ② 就可以一起執行了，從而當線程執行了步驟 ③ 之后，線程 1 就可以讀取到隊列中的那條數據了，它們的執行流程如下：
步驟 | 線程1 | 線程2 |
1 | 執行步驟 ① 判斷當前隊列沒有數據 | |
2 | 執行步驟 ② 線程進入休眠狀態 | |
3 | 執行步驟 ③ 將數據添加到隊列，并執行喚醒操作 | |
4 | 線程被喚醒，繼續執行 | |
5 | 判斷隊列中有數據，返回數據 |
這樣咱們的程序就可以正常執行了，這就是為什么 Java 設計一定要讓 wait 和 notify 配合上 synchronized 一起使用的原因了。
總結
本文介紹了 wait 和 notify 的基礎使用，以及為什么 wait 和 notify/notifyAll 一定要配合 synchronized 使用的原因。如果 wait 和 notify/notifyAll 不強制和 synchronized 一起使用，那么在多線程執行時，就會出現 wait 執行了一半，然后又執行了添加數據和 notify 的操作，從而導致線程一直休眠的缺陷。
