Condition接口示例与实现分析

逃离我推掉我的手 2022-11-25 10:13 137阅读 0赞

**Condition – 条件**

*  **任意**一个**Java对象，都拥有一组监视器方法（定义在java.lang.Object上），主要包括wait()、wait(long timeout)、notify()以及notifyAll()方法，这些方法与synchronized同步关键字配合**，**可以实现等待/通知模式**。
 *  换而言之，synchronized关键字想要实现等待/通知模式，需要调用以上的四种方法。
 *  然后我们的**Condition接口也提供了能够实现等待/通知模式**，是**与Lock配合实现的**。
 *  但是**二者在使用方式上以及功能特性上还是有所差别的**。

**Object的监视器方法与Condition接口的对比：**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ZyaXN0amNqZG5jZw_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
由表可以看出，condition接口可以有多个等待队列，而object监视器方法只有一个队列，而且还不支持在等待状态响应中断，还不支持当前线程释放锁并进入等待状态到将来的某个时间。

## Condition接口与示例 ##

*  **Condition定义了等待/通知两种类型的方法，当前线程调用这些方法时，需要提前获取到  
    Condition对象关联的锁。Condition对象是由Lock对象（调用Lock对象的newCondition()方法）创建出来的**。
 *  **说人话就是，Condition是依赖Lock对象的。**
 *  Condition的**使用方式比较简单**，**需要注意在调用方法前获取锁**，使用方式如代码清单所示：

Lock lock = new ReentrantLock();
        Condition condition = lock.newCondition();
        public void conditionWait() throws InterruptedException { 
            lock.lock();
            try { 
                condition.await();
            } finally { 
                lock.unlock();
            }
        }
        public void conditionSignal() throws InterruptedException { 
            lock.lock();
            try { 
                condition.signal();
            } finally { 
                lock.unlock();
            }
         }

*  如示例所示，一般都会将Condition对象作为成员变量。**当调用await()方法后，当前线程会  
    释放锁并在此等待**，
 *  **而其他线程调用Condition对象的signal()方法，通知当前线程后，当前线程才从await()方法返回，并且在返回前已经获取了锁**。

**Condition的（部分）方法以及描述：**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ZyaXN0amNqZG5jZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

## Condition的实现分析 ##

*  **ConditionObject是同步器AbstractQueuedSynchronizer的内部类**，**因为Condition的操作需要获取相关联的锁，所以作为同步器的内部类也较为合理**。
 *  **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**。

**下面将分析Condition的实现，主要包括：等待队列、等待和通知，下面提到的Condition如果不加说明均指的是ConditionObject**。

**等待队列**

*  等待队列是一个先进先出的队列，在队列中每个节点都包含了一个线程的引用，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，并加入到等待队列中并进入等待状态**。
 *  事实上，**节点的定义复用了同步器中节点的定义（就是他们两个中的节点结构是一样的），也就是说，同步队列和等待队列中系欸但类型都是同步器的静态内部类** AbstractQueuedSynchronizer.Node。
 *  **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图所示。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ZyaXN0amNqZG5jZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

*  **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**，其对应关系如图所示。（上文说过，condition接口可**以有多个等待队列**）  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ZyaXN0amNqZG5jZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
    \*\* 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**。

**Condition的await()方法，如代码清单所示**

public final void await() throws InterruptedException { 
            if (Thread.interrupted())
                throw new InterruptedException();
            // 当前线程加入等待队列
            Node node = addConditionWaiter();
                // 释放同步状态，也就是释放锁
            int savedState = fullyRelease(node);
            int interruptMode = 0;
            while (!isOnSyncQueue(node)) { 
                LockSupport.park(this);
                if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
                    break;
            }
            if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
            interruptMode = REINTERRUPT;
            if (node.nextWaiter != null)
                unlinkCancelledWaiters();
            if (interruptMode != 0)
                reportInterruptAfterWait(interruptMode);
        }

*  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。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ZyaXN0amNqZG5jZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
\*\* 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。Condition的signal()方法，如代码清单所示

public final void signal() { 
    	if (!isHeldExclusively())
    		throw new IllegalMonitorStateException();
    	Node first = firstWaiter;
    	if (first != null)
    		doSignal(first);
    }

调用该方法的**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。  
（什么是LockSupport呢？详情见[LockSupport工具][LockSupport]）

**节点从等待队列移动到同步队列的过程如图所示**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ZyaXN0amNqZG5jZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

*  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**。

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[LockSupport]: https://blog.csdn.net/fristjcjdncg/article/details/107851377
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