Condition工作原理及源码分析

概述

任意Java对象,都拥有一组监视器方法(定义在Object上),主要包括wait(),wait(lint timeout),notify(),notifyAll()方法,这些方法与synchronized同步关键词配合,可以实现等待通知模式。

Condition接口也提供了与Object类似的监视器方法,与Lock配合可以实现等待通知模式,但是这两者在使用方式以及功能特性上还是有差别的。

Condition定义了等待通知的两种类型方法,当线程调用这些方法时,需要提前获取COndition对象关联的锁,获取一个Condition必须通过lock的newCondition()方法。换句话说,Condition是依赖Lock对象的。

demo

    public static void main(String[] args) {
        final ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock();
        final Condition condition = reentrantLock.newCondition();

        Thread thread1 = new Thread((Runnable) () -> {
            try {
                reentrantLock.lock();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "等一个新信号");
                condition.await();//这里需要注意这里是await而不是wait
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿到一个信号!!");
            reentrantLock.unlock();
        }, "thread1");
        thread1.start();

        Thread thread2 = new Thread((Runnable) () -> {
            reentrantLock.lock();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿到锁了");
            try {
                Thread.sleep(3000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            condition.signalAll();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "发了一个信号!!");
            reentrantLock.unlock();

        }, "thread2");
        thread2.start();
    }
//output
thread1等一个新信号
thread2拿到锁了
thread2发了一个信号!!
thread1拿到一个信号!!

可以看到,Condition的执行方式,是当在线程1中调用await方法后,线程1将释放锁,并且将自己沉睡,等待唤醒,
线程2获取到锁后,开始做事,完毕后,调用Condition的signal方法,唤醒线程1,线程1恢复执行。

以上说明Condition是一个多线程间协调通信的工具类,使得某个,或者某些线程一起等待某个条件(Condition),只有当该条件具备( signal 或者 signalAll方法被带调用)时 ,这些等待线程才会被唤醒,从而重新争夺锁。

工作原理

Condition类的await()、signal()和signalAll(),一般是配合Lock一起使用,是显式的线程间协调同步操作类。每个Lock中可以有多个Condition,如notEmpty、notFull等。这些方法都是在某个具体的Condition条件队列中调用,唤醒的时候也是类似,使用对应的Condition来唤醒一个或者多个等待的线程。和wait()、notify()类似,使用这些方法时也需要先通过Lock获取锁,await()方法同样会释放锁,并挂起当前线程,等待被通知唤醒去重新竞争锁。

当await被调用时,代码如下:

        public final void await() throws InterruptedException {
            if (Thread.interrupted())
                throw new InterruptedException();
            Node node = addConditionWaiter();// 将当前线程包装下后,添加到Condition自己维护的一个链表中。
            long savedState = fullyRelease(node);// 释放当前线程占有的锁,从demo中看到,调用await前,当前线程是占有锁的
            int interruptMode = 0;
            while (!isOnSyncQueue(node)) {// 释放完毕后,遍历AQS的队列,看当前节点是否在队列中
        // 不在 说明它还没有竞争锁的资格,所以继续将自己沉睡。
        // 直到它被加入到队列中,聪明的你可能猜到了,
        // 没有错,在singal的时候加入不就可以了?
                LockSupport.park(this);
                if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
                    break;
            }
	// 被唤醒后,重新开始正式竞争锁,同样,如果竞争不到还是会将自己沉睡,等待唤醒重新开始竞争
            if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
                interruptMode = REINTERRUPT;
            if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
                unlinkCancelledWaiters();
            if (interruptMode != 0)
                reportInterruptAfterWait(interruptMode);
        }

回到上面的demo,锁被释放后,线程1开始沉睡,这个时候线程因为线程1沉睡时,会唤醒AQS队列中的头结点,所所以线程2会开始竞争锁,并获取到,等待3秒后,线程2会调用signalAll方法,“发出”signal信号。
signal方法如下:

        public final void signalAll() {
            if (!isHeldExclusively())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            Node first = firstWaiter;// firstWaiter为condition自己维护的一个链表的头结点,
            if (first != null)// 取出第一个节点后开始唤醒操作
                doSignalAll(first);
        }

说明下,其实Condition内部维护了等待队列的头结点和尾节点,该队列的作用是存放等待signal信号的线程,该线程被封装为Node节点后存放于此。

    public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
        private static final long serialVersionUID = 1173984872572414699L;
        /** First node of condition queue. */
        private transient Node firstWaiter;
        /** Last node of condition queue. */
        private transient Node lastWaiter;
}

关键的就在于此,我们知道AQS自己维护的队列是当前等待资源的队列,AQS会在资源被释放后,依次唤醒队列中从前到后的所有节点,使他们对应的线程恢复执行。直到队列为空。

而Condition自己也维护了一个队列,该队列的作用是维护一个等待signal信号的队列,两个队列的作用是不同,事实上,每个线程也仅仅会同时存在以上两个队列中的一个,流程是这样的:

  1. 线程1调用reentrantLock.lock时,线程被加入到AQS的等待队列中。
  2. 线程1中await方法被调用时,该线程从AQS中移除,对应操作是锁的释放。
  3. 接着马上被加入到Condition的等待队列中,此时该线程需要signal信号。
  4. 线程2,因为线程1释放锁的关系,被唤醒,并判断可以获取锁,于是线程2获取锁,并被加入到AQS的等待队列中。
  5. 线程2调用signal方法,这个时候Condition的等待队列中只有线程1一个节点,于是它被取出来,并被加入到AQS的等待队列中。 注意,这个时候,线程1 并没有被唤醒。
  6. signal方法执行完毕,线程2调用reentrantLock.unLock()方法,释放锁。这个时候因为AQS中只有线程1,于是,AQS释放锁后按从头到尾的顺序唤醒线程时,线程1被唤醒,于是线程1回复执行。
  7. 直到释放所整个过程执行完毕。

可以看到,整个协作过程是靠结点在AQS的等待队列和Condition的等待队列中来回移动实现的,Condition作为一个条件类,很好的自己维护了一个等待信号的队列,并在适时的时候将结点加入到AQS的等待队列中来实现的唤醒操作。

看到这里,signal方法的代码应该不难理解了。

        public final void signal() {
            if (!isHeldExclusively())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            Node first = firstWaiter;
            if (first != null)
                doSignal(first);//取出头结点,然后doSignal
        }
        private void doSignal(Node first) {
            do {
                if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)// 修改头结点,完成旧头结点的移出工作
                    lastWaiter = null;
                first.nextWaiter = null;
            } while (!transferForSignal(first) &&
                     (first = firstWaiter) != null);// 将老的头结点,加入到AQS的等待队列中
        }
    final boolean transferForSignal(Node node) {
        if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
            return false;
        Node p = enq(node);
        int ws = p.waitStatus;
        if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))// 如果该结点的状态为cancel 或者修改waitStatus失败,则直接唤醒。
            LockSupport.unpark(node.thread);
        return true;
    }

可以看到,正常情况 ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL)这个判断是不会为true的,所以,不会在这个时候唤醒该线程。

只有到发送signal信号的线程调用reentrantLock.unlock()后因为它已经被加到AQS的等待队列中,所以才会被唤醒。

多线程最佳实践

应当优先使用LockSupport\Condition\ReentrantLock\BlockingQueue\CountDownLatch等官方已封装的优秀同步工具,而不是去思考如何使用线程的wait和notify。

# java 

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