Java并发编程系列21 | Condition-Lock的等待通知

Java并发编程系列21 | Condition-Lock的等待通知

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点击上方“java进阶架构师”，选择右上角“置顶公众号” 20大进阶架构专题每日送达 我们知道 synchronized 锁通过 Object 类的 wait()和 notify()方法实现线程间的等待通知机制，而比 synchronized 更灵活 Lock 锁同样也有实现等待通知机制的方式，那就是条件 Condition。本文将从以下几个方面介绍 Condition：

• 如何使用 Condition
• 源码分析
• Condition 的应用场景

1. Condition 的使用

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1.1 Condition 类提供的方法 等待方法：

// 当前线程进入等待状态，如果其他线程调用 condition 的 signal 或者 signalAll 方法并且当前线程获取 Lock 从 await 方法返回，如果在等待状态中被中断会抛出被中断异常
void await() throws InterruptedException

// 当前线程进入等待状态直到被通知，中断或者超时
long awaitNanos(long nanosTimeout)

// 同第二个方法，支持自定义时间单位
boolean await(long time, TimeUnit unit)throws InterruptedException

// 当前线程进入等待状态直到被通知，中断或者到了某个时间
boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException

唤醒方法：

// 唤醒一个等待在 condition 上的线程，将该线程从等待队列中转移到同步队列中，如果在同步队列中能够竞争到 Lock 则可以从等待方法中返回
void signal()

// 与 1 的区别在于能够唤醒所有等待在 condition 上的线程
void signalAll()

1.2 使用举例 启动 waiter 和 signaler 两个线程。 waiter 线程获取到锁，检查 flag=false 不满足条件，执行 condition.await()方法将线程阻塞等待并释放锁。 signaler 线程获取到锁之后更改条件，将 flag 变为 true，执行 condition.signalAll()通知唤醒等待线程，释放锁。 waiter 线程被唤醒获取到锁，自旋检查 flag=true 满足条件，继续执行。

public class ConditionTest {
    private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    private static Condition condition = lock.newCondition();
    private static volatile boolean flag = false;

    public static void main(String[] args) {
        Thread waiter = new Thread(new waiter());
        waiter.start();
        Thread signaler = new Thread(new signaler());
        signaler.start();
    }

    static class waiter implements Runnable {

        @Override
        public void run() {
            lock.lock();
            try {
                while (!flag) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "当前条件不满足等待");
                    try {
                        condition.await();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "接收到通知条件满足");
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }

    static class signaler implements Runnable {

        @Override
        public void run() {
            lock.lock();
            try {
                flag = true;
                condition.signalAll();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}

输出结果： Thread-0当前条件不满足等待 Thread-0接收到通知，条件满足

2. Condition 与 wait/notify

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Object 的 wait 和 notify/notify 是与 synchronized 配合完成线程间的等待/通知机制，是属于 Java 底层级别的。而 Condition 是语言级别的，具有更高的可控制性和扩展性。具体表现如下： wait/notify 方式是响应中断的，当线程处于 Object.wait()的等待状态中，线程中断会抛出中断异常；Condition 有响应中断和不响应中断模式可以选择。 wait/notify 方式一个 synchronized 锁只有一个等待队列；一个 Lock 锁可以根据不同的条件，new 多个 Condition 对象，每个对象包含一个等待队列。

需要注意的是，Condition 同 wait/notify 一样，在等待与唤醒方法使用之前必须获取到该锁。

3. 源码分析

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Tips：需要在理解 AQS 及 ReentrantLock 基础上阅读本文源码，给出这两篇的链接： 【原创】14|AQS 源码分析 【原创】15|重入锁 ReentrantLock 3.1 条件队列 首先看 Condition 对象的创建： ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); Condition condition = lock.newCondition();

public Condition newCondition() { return sync.newCondition(); }

final ConditionObject newCondition() { return new ConditionObject(); } 创建的 Condition 对象其实就是 ConditionObject 对象，ConditionObject 是 AbstractQueuedSynchronizer（AQS）的内部类，实现了 Condition 接口。 每个 ConditionObject 对象都有一个条件等待队列，用于保存在该 Condition 对象上等待的线程。条件等待队列是一个单向链表，结点用的 AQS 的 Node 类，每个结点包含线程、next 结点、结点状态。ConditionObject 通过持有头尾指针类管理条件队列。

注意区分 AQS 的同步队列和 Condition 的条件队列。 线程抢锁失败时进入 AQS 同步队列，AQS 同步队列中的线程都是等待着随时准备抢锁的。 线程因为没有满足某一条件而调用 condition.await()方法之后进入 Condition 条件队列，Condition 条件队列中的线程只能等着，没有获取锁的机会。 当条件满足后调用 condition.signal()线程被唤醒，那么线程就从 Condition 条件队列移除，进入 AQS 同步队列，被赋予抢锁继续执行的机会。

条件队列源码：

public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
    private transient Node firstWaiter;// 头结点
    private transient Node lastWaiter;// 尾结点

    /**
     * 入队操作
     */
    private Node addConditionWaiter() {
        Node t = lastWaiter;

        // 如果尾结点取消等待了，将其清除出去，并检查整个条件队列将已取消的所有结点清除
        if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
            unlinkCancelledWaiters();// 这个方法会遍历整个条件队列，然后会将已取消的所有结点清除出队列
            t = lastWaiter;
        }

        // 将当前线程构造成结点，加入队尾
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
        if (t == null)
            firstWaiter = node;
        else
            t.nextWaiter = node;

        lastWaiter = node;// 维护尾结点指针
        return node;
    }

    /**
     * 遍历整个条件队列，清除已取消等待的结点
     */
    private void unlinkCancelledWaiters() {
        Node t = firstWaiter;
        Node trail = null;// 用于保存前一个结点
        while (t != null) {
            Node next = t.nextWaiter;

            if (t.waitStatus != Node.CONDITION) {
                // t结点状态不是Node.CONDITION，说明已经取消等待，删除
                t.nextWaiter = null;
                if (trail == null)
                    firstWaiter = next;
                else
                    trail.nextWaiter = next;
                if (next == null)
                    lastWaiter = trail;
            }
            else
                trail = t;// 下次循环中t结点的前一个结点
            t = next;
        }
    }
}

static final class Node {
    volatile Thread thread;// 每一个节点对应一个线程
    Node nextWaiter;// next结点
    volatile int waitStatus;// 结点状态
    static final int CONDITION = -2;// 结点状态：当前节点进入等待队列中
 ...
}

3.2 await() 当调用 condition.await()方法后会使得线程进入到条件队列，此时线程将被阻塞。当调用 condition.signal()方法后，线程从条件队列进入 AQS 同步队列排队等锁。线程在 AQS 中发生的事情这里就不介绍了，不明白的可以看下以前 AQS 的文章【原创】14|AQS 源码分析。 await()方法源码：

/**
 * 当前线程被阻塞，并加入条件队列
 * 线程在AQS同步队列中被唤醒后尝试获取锁
 */
public final void await() throws InterruptedException {
    // 响应打断
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();

    // 将当前线程构造成结点，加入条件队列队尾，上文详细分析了该方法
    Node node = addConditionWaiter();

    // 释放锁，线程阻塞前必须将锁释放，下文详解fullyRelease()方法
    int savedState = fullyRelease(node);
    int interruptMode = 0;

    /*
     * 1.isOnSyncQueue()检查node是否在AQS同步队列中，不在同步队列中返回false，下文详解isOnSyncQueue()方法
     * 2.如果node不在AQS同步队列中，将当前线程阻塞
     * 3.当其他代码调用signal()方法，线程进入AQS同步队列后被唤醒，继续从这里阻塞的地方开始执行
     * 4.注意这里while循环的自旋，线程被唤醒以后还要再检查一下node是否在AQS同步队列中
     */
    while (!isOnSyncQueue(node)) { // 检查node是否在AQS同步队列中
        LockSupport.park(this);    // 阻塞，线程被唤醒后从这里开始执行
        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
            break;
    }

    /*
     * 到这里，是当前线程在AQS同步队列中被唤醒了，尝试获取锁
     * acquireQueued()方法抢锁，抢不到锁就在同步队列中阻塞
     * acquireQueued()方法是AQS文章中详细重点讲解过的这里不详细分析了
     */
    if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
        interruptMode = REINTERRUPT;
    if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
        unlinkCancelledWaiters();
    if (interruptMode != 0)
        reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}

fullyRelease()方法:

/**
 * 将node线程的锁全部释放
 * “全部”是指多次重入的情况，这里一次全部释放
 */
final int fullyRelease(Node node) {
    boolean failed = true;
    try {
        int savedState = getState();// 锁状态
        if (release(savedState)) {// 释放锁
            failed = false;
            return savedState;
        } else {
            throw new IllegalMonitorStateException();
        }
    } finally {
        if (failed)
            node.waitStatus = Node.CANCELLED;
    }
}
isOnSyncQueue()方法：
/**
 * 检查node是否在AQS同步队列中，在同步队列中返回true
 */
final boolean isOnSyncQueue(Node node) {
    // 状态为Node.CONDITION条件等待状态，肯定是在条件队列中，而不在同步队列中
    if (node.waitStatus == Node.CONDITION || node.prev == null)
        return false;
    // 如果node已经有后继节点next，那肯定是在同步队列了
    if (node.next != null)
        return true;
    // 遍历同步队列，查看是否有与node相等的结点
    return findNodeFromTail(node);
}

/**
 * 从同步队列的队尾开始从后往前遍历找，如果找到相等的，说明在同步队列，否则就是不在同步队列
 */
private boolean findNodeFromTail(Node node) {
    Node t = tail;
    for (;;) {
        if (t == node)
            return true;
        if (t == null)
            return false;
        t = t.prev;
    }
}

3.3 signal() 调用 condition.signal()方法后，线程从 Condition 条件队列移除，进入 AQS 同步队列排队等锁。

注意：正常情况下 signal 只是将线程从 Condition 条件队列转移到 AQS 同步队列，并没有唤醒线程。线程的唤醒时机是 AQS 中线程的前驱节点释放锁之后。

public final void signal() {
    // 验证当前线程持有锁才能调用该方法
    if (!isHeldExclusively())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    Node first = firstWaiter;
    if (first != null)
        doSignal(first);
}

/**
 * 从条件队列队头往后遍历，找出第一个需要转移的结点node，将node从条件队列转移到AQS同步队列
 * 为什么需要遍历找？因为前有些线程会取消等待，但是可能还在条件队列中
 */
private void doSignal(Node first) {
    do {
        // 将first中条件队列中移除，将first的next结点作为头结点赋值给firstWaiter
        if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
            lastWaiter = null;
        first.nextWaiter = null;

    /*
     * transferForSignal()将first结点加入AQS同步队列
     * 如果first结点加入同步队列失败，是因为first结点取消了Node.CONDITION状态，原因在下面transferForSignal()的讲解中说明
     * 如果first结点加入同步队列失败，那么选择first后面的第一个结点进行转移，依此类推
     */
    } while (!transferForSignal(first) &&    // 将first结点加入AQS同步队列
             (first = firstWaiter) != null); // first结点加入同步队列失败，选择first后面的结点进行转移
}

/**
 * 将结点转移到同步队列
 * @return true-代表成功转移；false-代表在signal之前，节点已经取消等待了
 */
final boolean transferForSignal(Node node) {
    /*
     * CAS设置结点状态
     * CAS失败说明此node的waitStatus已不是Node.CONDITION，说明节点已经取消。既然已经取消，也就不需要转移了，方法返回，转移后面一个节点
     * CAS失败为什么不是其他线程抢先操作了呢？因为这里还持有lock独占锁，只有当前线程可以访问。
     */
    if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
        return false;

    Node p = enq(node);// 自旋进入同步队列的队尾
    int ws = p.waitStatus;

    // 正常情况下不会走这里，这里是前驱节点取消或者 CAS 失败的情况
    if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
        LockSupport.unpark(node.thread);
    return true;
}


static final class Node {
    volatile Thread thread;// 每一个结点对应一个线程
    Node nextWaiter;// next结点

    volatile int waitStatus;// 结点状态
    static final int CONDITION = -2;// 结点状态：当前结点进入等待队列中
}

3.4 源码过程总结 ReentrantLock lock = new ReentrantLock();创建 lock 锁，对应生成 AQS 同步队列，一个 ReentrantLock 锁对应一个 AQS 同步队列。 Condition condition = lock.newCondition();创建 condition，对应生成 condition 条件队列。 线程 A 调用condition.await();，线程 A 阻塞并加入 condition 同步队列。 线程 B 调用condition.signal();，线程 A 阻塞从 condition1 同步队列转移到 AQS 同步队列的队尾。 当 AQS 队列中线程 A 的前驱节点线程执行完并释放锁时，将线程 A 唤醒。 线程 A 被唤醒之后抢锁，执行逻辑代码。

4. 应用

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Condition 实现的生产者消费者问题。

class BoundedBuffer {
    final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    final Condition notFull = lock.newCondition();
    final Condition notEmpty = lock.newCondition();

    final Object[] items = new Object[100];
    int putptr, takeptr, count;

    // 生产
    public void put(Object x) throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (count == items.length)
                notFull.await();  // 队列已满，等待，直到 not full 才能继续生产
            items[putptr] = x;
            if (++putptr == items.length) putptr = 0;
            ++count;
            notEmpty.signal(); // 生产成功，队列已经 not empty 了，发个通知出去
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    // 消费
    public Object take() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (count == 0)
                notEmpty.await(); // 队列为空，等待，直到队列 not empty，才能继续消费
            Object x = items[takeptr];
            if (++takeptr == items.length) takeptr = 0;
            --count;
            notFull.signal(); // 被我消费掉一个，队列 not full 了，发个通知出去
            return x;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

生产者线程调用 put()方法向队列中添加对象，当队列满时，生产者线程就阻塞等待。 消费者线程调用 take()方法取出队列中的对象，取出对象后队列可以添加对象了，通知被阻塞的生产者线程。 生产者线程被唤醒后，从阻塞的位置开始执行，继续向队列中添加对象。 同样，消费者取出队列中对象时，发现队列为空了也会阻塞等待，生产者线程添加对象之后会通知消费者线程。

总结

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Object 的 wait 和 notify/notify 是与 synchronized 配合完成线程间的等待/通知机制，而 Condition 与 Lock 配合完成等待通知机制。 Condition 比 wait 和 notify 具有更高的可控制性和扩展性，一个 Lock 锁可以有多个 Condition 条件，此外 Condition 还有响应中断和不响应中断模式可以选择。Condition 的使用与 wait/notify 一样，在等待与唤醒方法使用之前必须获取到锁。 Condition 的实现原理：每个 condition 都有一个条件队列，调用 condition.await()方法将线程阻塞后线程就进入了条件队列，调用 condition.sigal()方法后线程从 condition 条件队列转移到 AQS 同步队列等锁，该线程的前一节点释放锁之后会唤醒该线程抢锁执行。 Condition 多用于实现的生产者消费者问题。

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