为什么锁条件等待必须持有锁

Question

我对此表示怀疑，在 Java 语言中，我们需要先获取锁，然后才能等待满足某些条件。

例如 int java monitor lock:

synchronized(lock){
   System.out.println("before lock ...");
   lock.wait();
   System.out.println("after lock ...");
}

或并发工具：

Lock lock = new ReentrantLock();
Condition cond = lock.newCondition();

lock.lock();
try{
     System.out.println("before condition ...");
     cond.await();
     System.out.println("after condition ...");
}catch(Exception e){
     e.printStackTrace();
}finally{
     lock.unlock();
}

那么，为什么我们不能等待，而不持有锁？

其他语言有什么不同，还是只是 Java 不同？

希望你能在设计后说明原因，但不能只针对JAVA-SPEC定义。

Answer 1

想象一下，你有一个线程可能需要等待的东西。也许你有一个队列，一个线程需要等到队列上有东西才能处理它。队列必须是线程安全的，因此它必须受到锁的保护。您可以编写以下代码：

1. 获取锁。
2. 检查队列是否为空。
3. 如果队列为空，则等待将内容放入队列。

糟糕，这行不通。我们持有队列上的锁，那么另一个线程如何在其上放置一些东西呢？让我们再试一次：

1. 获取锁。
2. 检查队列是否为空。
3. 如果队列为空，则释放锁并等待将内容放入队列。

糟糕，现在我们还有一个问题。如果在我们释放锁之后但在我们等待将某些东西放入队列之前，某些东西已放入队列中会怎样？在这种情况下，我们将等待已经发生的事情。

存在条件变量来解决这个确切的问题。他们有一个原子的“解锁并等待”操作来关闭这个窗口。

所以 await 必须持有锁，否则将无法确保您没有等待已经发生的事情。您必须持有锁以防止另一个线程与您的等待竞争。

Answer 2

好吧，我们还在等什么？我们正在等待一个条件变为真。另一个线程将使条件为真，然后通知等待的线程。

在进入wait之前，我们必须检查条件是否为假；这个检查和等待必须是原子的，即在同一个锁下。否则，如果我们在条件已经为真时进入等待，我们可能永远不会醒来。

因此有必要在调用wait()之前已经获得锁

synchronized(lock)
{
    if(!condition)
        lock.wait();

如果wait() 自动且静默地获取锁，则很多 的错误将未被检测到。

---

从wait() 唤醒后，我们必须再次检查条件——这里不能保证条件必须为真（有很多原因——虚假唤醒；超时、中断、多个服务员、多个条件）

synchronized(lock)
{
    if(!condition)
        lock.wait();
    if(!condition)   // check again
        ...

通常，如果条件仍然为假，我们会再次等待。因此典型的模式是

    while(!condition)
        lock.wait();

但也有不想再等的情况。

---

是否有合法的用例可以让裸等待/通知有意义？

synchronized(lock){ lock.wait(); }

当然；应用程序可以由裸等待/通知组成，具有明确的行为；可以论证这是期望的行为；这是该行为的最佳实现。

但是，这不是典型的使用模式，没有理由在 API 设计中考虑它。

Answer 3

请参阅Condition 的文档。

条件类似于对象的等待池或等待集，它取代了对象监视器方法（等待、通知和通知所有）的使用。条件使一个线程能够暂停执行（“等待”），直到另一个线程通知某个状态条件现在可能为真。条件实例本质上绑定到锁，就像对象监视器方法需要共享对象的锁来等待或通知一样。因此，在对条件调用 await() 之前，线程必须锁定用于产生条件的 Lock 对象。当调用 await() 方法时，与条件关联的锁被释放。

Answer 4

如果线程只是在等待一个信号继续进行，那么还有其他机制可以做到这一点。大概有某种状态受锁保护，线程正在等待操作并满足某些条件。为了正确保护该状态，线程应该在等待条件之前和之后都有锁，因此要求获取锁是有意义的。

Answer 5

一个听起来合理的答案

这是一个 JVM 的东西。一个对象x 有：

• 一个Entry Set：线程队列尝试synchronized(x)

• 一个Waiting Set：一个名为x.wait()的线程队列

当你调用x.wait()时，JVM会将你当前的线程添加到Waiting Set；当您调用x.notify()/x.notifyAll() 时，JVM 会从Waiting Set 中删除一个/所有元素。

多个线程可以调用x.wait()/x.notify()/x.notifyAll()修改Waiting Set。为了保证Waiting Set线程的安全，JVM一次只接受一个线程的一个操作。

Answer 6

简单的答案是因为否则您将获得在 Object.wait javadoc 中指定的 IllegalMonitorStateException。在内部，Java 中的同步使用底层操作系统机制。所以它不仅仅是Java。