Java 多線程同步問題探究（四）：線程協作與 wait/notify

Java 監視器：互斥與協作

Java 監視器支援兩種線程互動：互斥（前文介紹的對象鎖和重入鎖）和協作。本文探討線程協作機制。

經典生產者-消費者範例：漢堡店大賽

3 顧客（消費者）、3 廚師（生產者）、1 服務員（協調者）。容器裝 10 個漢堡，先進先出。容器滿→廚師停工；容器空→顧客按鬧鈴→服務員安撫等待；漢堡做好→服務員通知顧客取餐。容器是決定廚師行為的監視器，服務員監視顧客行為。JVM 中此監視器稱為「等待並喚醒監視器」。

wait/notify 機制原理

• 持有監視器的線程調用 wait() 暫停執行、釋放監視器、進入等待區
• 其他線程調用 notify() 喚醒等待區線程
• 喚醒線程持有監視器直到主動釋放
• 等待線程甦醒，其中一個重新獲得監視器，判斷條件決定是否繼續等待、執行監視區域或退出

關鍵規則

1. 任何時刻對象控制權只能被一線程擁有
2. 執行 wait/notify/notifyAll 必須先取得該對象控制權
3. 無控制權執行上述方法會拋 IllegalMonitorStateException
4. JVM 預設不保證線程時序性

取得對象控制權三種方式：同步實例方法、同步靜態方法、對該對象加同步鎖的同步塊。

常見錯誤修正

錯誤 1：未在同步塊中調用 wait/notify

// 錯誤
flag = "false";
flag.notify();

// 正確
synchronized (flag) {
  flag = "false";
  flag.notify();
}

錯誤 2：同步物件被重新賦值

synchronized (flag) { flag = "false"; } 導致同步塊鎖定的物件改變。解決：用陣列或 JavaBean 封裝，修改內部屬性而非引用。

private String[] flag = {"true"};
synchronized (flag) {
  flag[0] = "false";
  flag.notify();
}

notify() vs notifyAll()

notify() 隨機喚醒一線程；notifyAll() 喚醒所有阻塞線程。範例中需用 notifyAll() 確保所有顧客被喚醒。

完整漢堡店範例

程式包含：Waiter（服務員）、Hamberg（漢堡）、HambergFifo（容器）、Cooker（廚師）、Customer（顧客）、HambergShop（主類）。

關鍵協作邏輯：

• 廚師：容器未滿→製作漢堡→waiter.notifyAll() 通知顧客；容器滿→pool.wait() 等待
• 顧客：取漢堡→pool.pop()；容器空→拋異常→pool.notifyAll() 通知廚師→waiter.wait() 等待服務員通知

ReentrantLock 與 wait/notify 不能混用

若用 ReentrantLock.lock()/unlock() 替代 synchronized，仍會拋 IllegalMonitorStateException，甚至造成死鎖。原因：調用第三方對象 wait/notify 時未進入該對象監視器。正確做法：只用 ReentrantLock 且不使用 wait/notify，因 ReentrantLock 已概括互斥與協作。請單獨採用重入鎖或 synchronized，勿混用。

核心結論

1. 線程等待/喚醒是調用共享對象的 wait/notify，非自身
2. 調用對象 wait/notify 前必須先取得該對象監視器
3. 線程協作以線程互斥為前提，是互斥下的協作