为什么Java中 wait 方法需要在 synchronized 的方法中调用

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一、Java中的同步机制

Java中的同步机制主要依靠对象的监视器锁（也称为内置锁）来实现。每个Java对象都可以作为一个同步锁，只有拥有该锁的线程才能进入对象的 synchronized 方法或代码块，其他线程必须等待锁释放后才能继续执行。这种机制保证了多个线程访问共享资源时的线程安全性，避免了数据竞争和不一致性的问题。

1.1 `synchronized` 关键字

synchronized 关键字可以用于方法或者代码块，它有以下两种用法：

同步实例方法：在方法声明前加上 synchronized 关键字，例如：

这种方式表示当前实例对象的监视器锁将用于同步。

同步代码块：在代码块前加上 synchronized 关键字，并指定锁对象，例如：

这种方式可以更加灵活地控制同步范围，可以指定任何对象作为锁。

1.2 监视器锁的工作原理

每个对象都有一个监视器锁，线程通过 synchronized 关键字获取和释放锁。当一个线程进入 synchronized 方法或块时，它会自动获取相应对象的监视器锁，直到该方法或代码块执行完毕才会释放锁。在锁被释放之前，其他线程无法获取该锁，因而无法进入相应的 synchronized 方法或代码块。

二、线程通信的实现原理

在线程间进行协调和通信时，我们经常需要某个线程等待某个条件满足后再继续执行，而不是不断地轮询检查，这样可以提高效率和响应速度。Java提供了 wait、 notify 和 notifyAll 方法来实现线程间的通信，这些方法定义在 Object 类中，允许线程在特定条件下等待和通知。

2.1 `wait` 方法

wait 方法的主要作用是让当前线程等待，直到其他线程调用 notify 或 notifyAll 方法来唤醒它。wait 方法有三种重载形式：

wait()：无限期地等待，直到被通知或中断。

wait(long timeout)：等待指定时间（毫秒），如果在超时时间内没有被通知，则自动醒来。

wait(long timeout, int nanos)：等待指定时间（毫秒和纳秒），精度更高。

当一个线程调用 wait 方法时，它必须先持有对象的监视器锁，并且调用 wait 方法后会释放锁，使其他线程可以获取该锁进行操作。

2.2 `notify` 和 `notifyAll` 方法

notify 和 notifyAll 方法用于唤醒等待中的线程：

notify()：唤醒一个等待中的线程，具体唤醒哪个线程取决于操作系统的实现。

notifyAll()：唤醒所有等待中的线程。

被唤醒的线程会尝试重新获取对象的监视器锁，一旦成功获取锁，就可以继续执行后续代码。

三、为什么 `wait` 方法必须在 `synchronized` 方法或代码块中调用

理解了上述背景知识后，我们可以解释为什么 wait 方法必须在 synchronized 方法或代码块中调用。主要原因有以下几个方面：

3.1 确保监视器锁的持有

调用 wait 方法时，当前线程必须持有对象的监视器锁，这一点非常重要。因为 wait 方法调用后，线程会进入等待状态，并释放当前持有的监视器锁，其他线程才能获取该锁进行操作。如果不在 synchronized 方法或代码块中调用 wait，当前线程可能不持有任何锁，直接调用 wait 方法会抛出 IllegalMonitorStateException 异常。

3.2 避免竞态条件

竞态条件是指多个线程竞争访问共享资源时，由于执行顺序不确定，可能导致数据不一致或程序错误。通过在 synchronized 方法或代码块中调用 wait，可以确保在调用 wait 之前和之后，当前线程对共享资源的操作是原子性的，从而避免竞态条件的发生。

3.3 保持线程通信的正确性

当线程A调用 wait 方法进入等待状态时，它会释放对象的监视器锁，使其他线程（例如线程B）可以获取该锁进行操作。当线程B完成操作后，可以调用 notify 或 notifyAll 方法通知等待中的线程A。在这种机制下，synchronized 关键字确保了线程A在调用 wait 方法前持有锁，并在被唤醒后重新获取锁，从而保持线程通信的正确性和一致性。

四、实例分析

通过一个具体的实例来进一步理解 wait 方法在 synchronized 方法或代码块中调用的重要性。假设我们有一个简单的生产者-消费者模型，其中生产者线程生产数据，消费者线程消费数据。我们使用 wait 和 notify 方法来实现线程间的通信。

4.1 生产者-消费者模型

以下是生产者和消费者的示例代码：

4.2 分析

在上述代码中，DataBuffer 类提供了 produce 和 consume 方法，用于生产和消费数据。produce 方法在向缓冲区添加数据之前，检查缓冲区是否已满，如果已满则调用 wait 方法让生产者线程等待。consume 方法在从缓冲区移除数据之前，检查缓冲区是否为空，如果为空则调用 wait 方法让消费者线程等待。

这两个方法都使用 synchronized 关键字进行同步，确保在检查条件和调用 wait 方法之间持有监视器锁，避免竞态条件。同时，notifyAll 方法在添加或移除数据后调用，用于通知等待中的线程，从而实现生产者和消费者之间的协调。

五、总结

在Java中，wait 方法必须在 synchronized 方法或代码块中调用，这是由Java内置的监视器机制和线程通信的实现原理决定的。通过在 synchronized 方法或代码块中调用 wait，可以确保线程在调用 wait 方法之前持有对象的监视器锁，从而避免非法监视器状态异常，同时保证线程间通信的正确性和一致性。理解这一点对于编写正确、安全和高效的多线程程序至关重要。