Condition的实现分析

爱被打了一巴掌 2022-02-25 09:46 151阅读 0赞

## 对比Object的监视器方法和Condition接口 ##

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>对比项</th> 
   <th>Object Monitor Methods</th> 
   <th>Condition</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>前置条件</td> 
   <td>获取对象的锁</td> 
   <td> <p><code>调用Lock.lock()</code></p> <p><code>调用Lock.newCondition()获取Condition对象</code></p> </td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>调用方式</td> 
   <td>直接调用，如:object.wait()</td> 
   <td>直接调用，如:condition.await()</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>等待队列个数</td> 
   <td>一个</td> 
   <td>多个</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>当前线程释放锁并进入等待状态</td> 
   <td>支持</td> 
   <td>支持</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>当前线程释放锁并进入等待状态，在等待状态中不响应中断</td> 
   <td>不支持</td> 
   <td>支持</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>当前线程释放锁并进入超时等待状态</td> 
   <td>支持</td> 
   <td>支持</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>当前线程释放锁并进入等待状态到将来的某个时间</td> 
   <td>不支持</td> 
   <td>支持</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>唤醒等待队列中的一个线程</td> 
   <td>支持</td> 
   <td>支持</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>唤醒等待队列中的全部线程</td> 
   <td>支持</td> 
   <td>支持</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

public interface Condition {
    
         // 当前线程进入等待状态直到被通知(signal)或被中断
        void await() throws InterruptedException;
        // 不响应中断等待，直到被通知(signal)
        void awaitUninterruptibly();
        // 等待指定时长直到被通知或中断或超时。
        long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;
        // 等待指定时长直到被通知或中断或超时。
        boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
        // 当前线程进入等待状态直到被通知、中断或者到某个时间。如果没有到指定事件就被通知，方法返回true，否则false。 
        boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;
        // 唤醒一个等待在Condition上的线程，该线程从等待方法返回前必须获得与Condition相关联的锁  
        void signal();
        // 唤醒所有等待在Condition上的线程，该线程从等待方法返回前必须获得与Condition相关联的锁  
        void signalAll();
    }

## Condition实现分析 ##

**每个Condition对象都包含着一个队列（以下称为等待队列），该队列是Condition对象实现等待/通知功能的关键。**

### **等待队列** ###

**    等待队列是一个FIFO的队列，在队列中的每个节点都包含了一个线程引用，该线程就是 在Condition对象上等待的线程，如果一个线程调用了Condition.await()方法，那么该线程将会释放锁、构造成节点加入等待队列并进入等待状态。（同步队列和等待队列中节点类型都是同步器的静态内部类 AbstractQueuedSynchronizer.Node****）**

/** First node of condition queue. */
            private transient Node firstWaiter;
            /** Last node of condition queue. */
            private transient Node lastWaiter;

**    一个Condition包含一个等待队列，Condition拥有首节点（firstWaiter）和尾节点 （lastWaiter）。当前线程调用Condition.await()方法，将会以当前线程构造节点，并将节点从尾部 加入等待队列，等待队列的基本结构如下：**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM3NTk4MDEx_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

**    Condition拥有首尾节点的引用，而新增节点只需要将原有的尾节点nextWaiter 指向它，并且更新尾节点即可。上述节点引用更新的过程并没有使用CAS保证，原因在于调用 await()方法的线程必定是获取了锁的线程，也就是说该过程是由锁来保证线程安全的。**  
**    在Object的监视器模型上，一个对象拥有一个同步队列和等待队列，而并发包中的 Lock（更确切地说是同步器）拥有一个同步队列和多个等待队列。**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM3NTk4MDEx_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

**    因为Condition的实现是同步器的内部类，因此每个Condition实例都能够访问同步器 提供的方法，相当于每个Condition都拥有所属同步器的引用。**

### 等待 ###

**调用Condition的await()方法（或者以await开头的方法），会使当前线程进入等待队列并释放锁，同时线程状态变为等待状态。当从await()方法返回时，当前线程一定获取了Condition相关联的锁。**

**    如果从队列（同步队列和等待队列）的角度看await()方法，当调用await()方法时，相当于同 步队列的首节点（获取了锁的节点）移动到Condition的等待队列中。**

public final void await() throws InterruptedException {
                if (Thread.interrupted())
                    throw new InterruptedException();
                Node node = addConditionWaiter();//在等待队列中创建新的节点
                int savedState = fullyRelease(node);//释放同步状态
                int interruptMode = 0;
                //检测节点是否在同步队列中，如果没有则一直阻塞
                while (!isOnSyncQueue(node)) {
                    LockSupport.park(this);
                    //检查阻塞过程中是否发生中断，若有中断则退出while循环
                    if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
                        break;
                }
                //尝试获取同步状态
                if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
                    interruptMode = REINTERRUPT;
                if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
                    unlinkCancelledWaiters();
                if (interruptMode != 0)
                    reportInterruptAfterWait(interruptMode);
            }
    
    
            private Node addConditionWaiter() {
                Node t = lastWaiter;//获取尾节点
                // If lastWaiter is cancelled, clean out.
                if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
                    unlinkCancelledWaiters();
                    t = lastWaiter;
                }
                Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);//封装节点
                if (t == null)//组成链表
                    firstWaiter = node;
                else
                    t.nextWaiter = node;
                lastWaiter = node;
                return node;
            }
    
        final int fullyRelease(Node node) {
            boolean failed = true;
            try {
                int savedState = getState();
                if (release(savedState)) {
                    failed = false;
                    return savedState;
                } else {
                    throw new IllegalMonitorStateException();
                }
            } finally {
                if (failed)
                    node.waitStatus = Node.CANCELLED;
            }
        }

**调用该方法的线程成功获取了锁的线程，也就是同步队列中的首节点，该方法会将当前线程构造成节点并加入等待队列中，然后释放同步状态，唤醒同步队列中的后继节点，然后当前线程会进入等待状态。当等待队列中的节点被唤醒，则唤醒节点的线程开始尝试获取同步状态。如果不是通过其他线程调用Condition.signal()方法唤醒，而是对等待线程进行中断，则会抛出 InterruptedException。**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM3NTk4MDEx_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

### 通知 ###

**  调用Condition的signal()方法，将会唤醒在等待队列中等待时间最长的节点（首节点），在唤醒节点之前，会将节点移到同步队列中。**

public final void signal() {
                if (!isHeldExclusively())//判断当前线程是否是锁的拥有者
                    throw new IllegalMonitorStateException();
                Node first = firstWaiter;//获取第一个等待节点
                if (first != null)
                    doSignal(first);//唤醒首节点
            }
    
            private void doSignal(Node first) {
                do {
                    if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)// 当前首节点出队列
                        lastWaiter = null;
                    first.nextWaiter = null;
            //将节点从条件队列传输到同步队列。如果成功返回true。
                } while (!transferForSignal(first) &&//
                         (first = firstWaiter) != null);
            }
    
        final boolean transferForSignal(Node node) {
           
            if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
                return false;
            // 将当前node加入到同步队列中，等待获取锁
            Node p = enq(node);
            int ws = p.waitStatus;
            if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
                //通知前驱节点，在释放状态唤醒。
                LockSupport.unpark(node.thread);
            return true;
        }

调用signal方法的前置条件是当前线程必须获取了锁，可以看到signal()方法进行了 isHeldExclusively()检查，也就是当前线程必须是获取了锁的线程。接着获取等待队列的首节点，将其移动到同步队列并使用LockSupport唤醒节点中的线程。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM3NTk4MDEx_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][]

**通过调用同步器的enq(Node node)方法，等待队列中的头节点线程安全地移动到同步队列。当节点移动到同步队列后，当前线程再使用LockSupport唤醒该节点的线程。**

**    被唤醒后的线程，将从await()方法中的while循环中退出（isOnSyncQueue(Node node)方法返回true，节点已经在同步队列中），进而调用同步器的acquireQueued()方法加入到获取同步状态的竞争中。  
    成功获取同步状态（或者说锁）之后，被唤醒的线程将从先前调用的await()方法返回，此时该线程已经成功地获取了锁。  
    Condition的signalAll()方法，相当于对等待队列中的每个节点均执行一次signal()方法，效果就是将等待队列中所有节点全部移动到同步队列中，并唤醒每个节点的线程。**

参考《Java并发编程的艺术》

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM3NTk4MDEx_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20220225/85e9cfd060e649c2bb0c59b7547b3c40.png
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