AQS中的Condition是什么？

女爷i 2023-09-27 23:21 120阅读 0赞

今天来和大家聊聊Condition，Condition为AQS“家族”**提供了等待与唤醒的能力**，使AQS"家族"具备了像synchronized一样暂停与唤醒线程的能力。我们先来看两道关于Condition的面试题目：

*  Condition和Object的等待与唤醒有什么区别？
 *  什么是Condition队列？

接下来，我们就按照“是什么”，“怎么用”和“如何实现”的顺序来揭开Condition的面纱吧。

## Condition是什么？ ##

Condition是Java中的接口，提供了与Object\#wait和Object\#notify相同的功能。Doug Lea在Condition接口的描述中提到了这点：

> **Conditions (also known as condition queues or condition variables) provide a means for one thread to suspend execution (to "wait") until notified by another thread that some state condition may now be true.**

来看Condition接口中提供了哪些方法：

Java复制代码public interface Condition {
      void await() throws InterruptedException;
      
      void awaitUninterruptibly();
      
      long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;
      
      boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
      
      boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;
      
      void signal();
      
      void signalAll();
    }

Condition只提供了两个功能：**等待（await）和唤醒（signal）**，与Object提供的等待与唤醒时相似的：

Java复制代码public final void wait() throws InterruptedException;
      
    public final void wait(long timeoutMillis, int nanos) throws InterruptedException;
    
    public final native void wait(long timeoutMillis) throws InterruptedException;
    
    @HotSpotIntrinsicCandidate
    public final native void notify();
    
    @HotSpotIntrinsicCandidate
    public final native void notifyAll();

唤醒功能上，Condition与Object的差异并不大：

*  Condition\#signal≈\\approx≈Object\#notify
 *  Condition\#signalAll===Object\#notifyAll

**多个线程处于等待状态时，**Object\#notify()**是“随机”唤醒线程，而**Condition\#signal**则由具体实现决定如何唤醒线程，如：**ConditionObject**唤醒的是最早进入等待的线程**，**但两个方法均只唤醒一个线程。**

等待功能上，Condition与Object的共同点是：**都会释放持有的资源**，Condition**释放锁**，Object**释放Monitor，即进入等待状态后允许其他线程获取锁/监视器**。主要的差异体现在Condition支持了更加丰富的场景，通过一张表格来对比下：

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> Condition方法 </td> 
 <td> Object方法 </td> 
 <td> 解释 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> Condition#await() </td> 
 <td> Object#wait() </td> 
 <td> 暂停线程，抛出线程中断异常 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> Condition#awaitUninterruptibly() </td> 
 <td> / </td> 
 <td> 暂停线程，不抛出线程中断异常 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> Condition#await(time, unit) </td> 
 <td> Object#wait(timeoutMillis, nanos) </td> 
 <td> 暂停线程，直到被唤醒或等待指定时间后，超时后自动唤醒返回false，否则返回true </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> Condition#awaitUntil(deadline) </td> 
 <td> / </td> 
 <td> 暂停线程，直到被唤醒或到达指定时间点，超时后自动唤醒返回false，否则返回true </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> Condition#awaitNanos(nanosTimeout) </td> 
 <td> / </td> 
 <td> 暂停线程，直到被唤醒或等待指定时间后，返回值表示被唤醒时的剩余时间（nanosTimeout-耗时），结果为负数表示超时 </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

除了以上差异外，Condition**还支持创建多个等待队列，即同一把锁拥有多个等待队列，线程在不同队列中等待，而**Object**只有一个等待队列**。《Java并发编程的艺术》中也有一张类似的表格，放在这里供大家参考：

![format_png][]

**Tips**：

*  实际上signal翻译为唤醒并不恰当~~
 *  涉及到Condition的实现部分，下文通过AQS中的ConditionObject详细解释。

## Condition怎么用？ ##

既然Condition与Object提供的等待与唤醒功能相同，那么它们的用法是不是也很相似呢？

与调用Object\#wait和Object\#notifyAll必须处于synchronized修饰的代码中一样（获取Monitor），**调用**Condition\#await**和**Condition\#signalAll**的前提是要先获取锁**。但不同的是，使用Condition前，需要先通过锁去创建Condition。

以ReentrantLock中提供的Condition为例，首先是创建Condition对象：

Java复制代码ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    Condition condition = lock.newCondition();

然后是获取锁并调用await方法：

Java复制代码new Thread(() -> {
      lock.lock();
      try {
        condition.await();
      } catch (InterruptedException e) {
        throw new RuntimeException(e);
      }
      lock.unlock();
    }

最后，通过调用singalAll唤醒全部阻塞中的线程：

Java复制代码new Thread(() -> {
      lock.lock();
      condition.signalAll();
      lock.unlock();
    }

## ConditionObject的源码分析 ##

作为接口Condition非常惨，因为在Java中只有AQS中的内部类ConditionObject实现了Condition接口：

Java复制代码public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable {
      
      public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
        private transient Node firstWaiter;
        
        private transient Node lastWaiter;
      }
      
      static final class Node {
        // 省略
      }
    }

ConditionObject只有两个Node类型的字段，分别是链式结构中的头尾节点，ConditionObject就是通过它们实现的等待队列。那么ConditionObject的等待队列起到了怎样的作用呢？是类似于AQS中的排队机制吗？带着这两个问题，我们正是开始源码的分析。

## await方法的实现 ##

Condition接口中定义了4个线程等待的方法：

*  void await() throws InterruptedException
 *  void awaitUninterruptibly();
 *  long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;
 *  boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
 *  boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;

方法虽然很多，但它们之间的差异较小，只体现在时间的处理上，我们看其中最常用的方法：

Java复制代码public final void await() throws InterruptedException {
      // 线程中断，抛出异常
      if (Thread.interrupted()) {
        throw new InterruptedException();
      }
      // 注释1：加入到Condition的等待队列中
      Node node = addConditionWaiter();
      // 注释2：释放持有锁（调用AQS的release）
      int savedState = fullyRelease(node);
      int interruptMode = 0;
      // 注释3：判断是否在AQS的等待队列中
      while (!isOnSyncQueue(node)) {
        LockSupport.park(this);
        // 中断时退出方法
        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) {
          break;
        }
      }
      
      // 加入到AQS的等待队列中，调用AQS的acquireQueued方法
      if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE) {
        interruptMode = REINTERRUPT;
      }
      
      // 断开与Condition队列的联系
      if (node.nextWaiter != null) {
        unlinkCancelledWaiters();
      }
      
      if (interruptMode != 0) {
       reportInterruptAfterWait(interruptMode);
      }
    }

注释1的部分，调用addConditionWaiter方法添加到Condition队列中：

Java复制代码private Node addConditionWaiter() {
      // 判断当前线程是否为持有锁的线程
      if (!isHeldExclusively()) {
        throw new IllegalMonitorStateException();
      }
      
      // 获取Condition队列的尾节点
      Node t = lastWaiter;
      // 断开不再位于Condition队列的节点
      if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
        unlinkCancelledWaiters();
        t = lastWaiter;
      }
      
      // 创建Node.CONDITION模式的Node节点
      Node node = new Node(Node.CONDITION);
      if (t == null) {
        // 队列为空的场景，将node设置为头节点
        firstWaiter = node;
      } else {
        // 队列不为空的场景，将node添加到尾节点的后继节点上
        t.nextWaiter = node;
      }
      // 更新尾节点
      lastWaiter = node;
      return node;
    }

可以看到，Condition的队列是一个朴实无华的双向链表，每次调用addConditionWaiter方法，都会加入到Condition队列的尾部。

注释2的部分，**释放线程持有的锁，同时移出AQS的队列**，内部调用了AQS的release方法：

Java复制代码=final int fullyRelease(Node node) {
      try {
        int savedState = getState();
        if (release(savedState)) {
          return savedState;
        }
        throw new IllegalMonitorStateException();
      } catch (Throwable t) {
        node.waitStatus = Node.CANCELLED;
        throw t;
      }
    }

因为已经分析过AQS的release方法和ReentrantLock实现的tryRelease方法，这里我们就不过多赘述了。

注释3的部分，isOnSyncQueue判断当前线程是否在AQS的等待队列中，我们来看此时存在的情况：

*  如果isOnSyncQueue返回false，即**线程不在AQS的队列中**，进入自旋，调用LockSupport\#park暂停线程；
 *  如果isOnSyncQueue返回true，即**线程在AQS的队列中**，不进入自旋，执行后续逻辑。

结合注释1和注释2的部分，Condition\#await的实现原理了就很清晰了：

*  Condition与AQS分别维护了一个等待队列，而且是互斥的，即**同一个节点只会出现在一个队列中**；
 *  当调用Condition\#await时，将线程添加到Condition的队列中（注释1），同时从AQS队列中移出（注释2）；
 *  接着判断线程位于的队列： 位于Condition队列中，该线程需要被暂停，调用LockSupport\#park； 位于AQS队列中，该线程正在等待获取锁。

基于以上的结论，我们已经能够猜到唤醒方法Condition\#signalAll的原理了：

*  将线程从Condition队列中移出，并添加到AQS的队列中；
 *  调用LockSupport.unpark唤醒线程。

至于这个猜想是否正确，我们接着来看唤醒方法的实现。

**Tips**：如果忘记了AQS中相关方法是如何实现的，可以回顾下《AQS的今生，构建出JUC的基础》。

## signal和signalAll方法的实现 ##

来看signal和signalAll的源码：

Java复制代码// 唤醒一个处于等待中的线程
    public final void signal() {
      if (!isHeldExclusively()) {
        throw new IllegalMonitorStateException();
      }
      // 获取Condition队列中的第一个节点
      Node first = firstWaiter;
      if (first != null) {
        // 唤醒第一个节点
        doSignal(first);
      }
    }
    
    // 唤醒全部处于等待中的线程
    public final void signalAll() {
        if (!isHeldExclusively()){
          throw new IllegalMonitorStateException();
        }
            
        Node first = firstWaiter;
        if (first != null) {
          // 唤醒所有节点
          doSignalAll(first);
        }  
    }

两个方法唯一的差别在于头节点不为空的场景下，是调用doSignal唤醒一个线程还是调用doSignalAll唤醒所有线程：

Java复制代码private void doSignal(Node first) {
      do {
        // 更新头节点
        if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null) {
          // 无后继节点的场景
          lastWaiter = null;
        }
        // 断开节点的连接
        first.nextWaiter = null;
        // 唤醒头节点
      } while (!transferForSignal(first) && (first = firstWaiter) != null);
    }
    
    private void doSignalAll(Node first) {
      // 将Condition的队列置为空
      lastWaiter = firstWaiter = null;
      do {
        // 断开链接
        Node next = first.nextWaiter;
        first.nextWaiter = null;
        // 唤醒当前头节点
        transferForSignal(first);
        // 更新头节点
        first = next;
      } while (first != null);
    }

可以看到，无论是doSignal还是doSignalAll都只是将节点移出Condition队列，而真正起到唤醒作用的是transferForSignal方法，从方法名可以看到该方法是通过“**转移**”进行唤醒的，我们来看源码：

Java复制代码final boolean transferForSignal(Node node) {
      // 通过CAS替换node的状态
      // 如果替换失败，说明node不处于Node.CONDITION状态，不需要唤醒
      if (!node.compareAndSetWaitStatus(Node.CONDITION, 0)) {
        return false;
      }
      // 将节点添加到AQS的队列的队尾
      // 并返回老队尾节点，即node的前驱节点
      Node p = enq(node);
      int ws = p.waitStatus;
      // 对前驱节点状态的判断
      if (ws > 0 || !p.compareAndSetWaitStatus(ws, Node.SIGNAL)) {
        LockSupport.unpark(node.thread);
      }
      return true;
    }

transferForSignal方法中，调用enq方法将node重新添加到AQS的队列中，并返回node的前驱节点，随后对前驱节点的状态进行判断：

*  当ws>0ws > 0ws>0时，前驱节点处于Node.CANCELLED状态，前驱节点退出锁的争抢，node可以直接被唤醒；
 *  当ws≤0ws \\leq 0ws≤0时，通过CAS修改前驱节点的状态为Node.SIGNAL，设置失败时，直接唤醒node。

《AQS的今生，构建出JUC的基础》中介绍了waitStatus的5种状态，其中Node.SIGNAL状态表示需要唤醒后继节点。另外，在分析shouldParkAfterFailedAcquire方法的源码时，我们知道在进入AQS的等待队列时，需要将前驱节点的状态更新为Node.SIGNAL。

最后来看enq的实现：

Java复制代码private Node enq(Node node) {
      for (;;) {
        // 获取尾节点
        Node oldTail = tail;
        if (oldTail != null) {
          // 更新当前节点的前驱节点
          node.setPrevRelaxed(oldTail);
          // 更新尾节点
          if (compareAndSetTail(oldTail, node)) {
            oldTail.next = node;
            // 返回当前节点的前驱节点（即老尾节点）
            return oldTail;
          }
        } else {
          initializeSyncQueue();
        }
      }
    }

enq的实现就非常简单了，通过CAS更新AQS的队列尾节点，相当于添加到AQS的队列中，并返回尾节点的前驱节点。好了，唤醒方法的源码到这里就结束了，是不是和我们当初的猜想一模一样呢？

## 图解ConditionObject原理 ##

功能上，Condition实现了AQS版Object\#wait和Object\#notify，用法上也与之相似，需要先获取锁，即需要在lock与unlock之间调用。原理上，**简单来说就是线程在AQS的队列和**Condition**的队列之间的转移**。

### 线程t持有锁 ###

假设有线程t已经获取了`ReentrantLock`，线程t1，t2和t3正在AQS的队列中等待，我们可以得到这样的结构：

![format_png 1][]

### 线程t执行Condition\#await ###

如果线程t中调用了`Condition#await`方法，线程t进入`Condition`的等待队列中，线程t1获取`ReentrantLock`，并从AQS的队列中移出，结构如下：

![format_png 2][]

### 线程t1执行Condition\#await ###

如果线程t1中也执行了`Condition#await`方法，同样线程t1进入`Condition`队列中，线程t2获取到`ReentrantLock`，结构如下：

![format_png 3][]

### 线程t2执行Condition\#signal ###

如果线程t2执行了`Condition#signal`，唤醒`Condition`队列中的第一个线程，此时结构如下：

![format_png 4][]

通过上面的流程，我们就可以得到线程是如何在`Condition`队列与AQS队列中转移的：

![format_png 5][]

## 结语 ##

关于`Condition`的内容到这里就结束了，无论是理解，使用还是剖析原理，`Condition`的难度并不高，只不过大家可能平时用得比较少，因此多少有些陌生。

[format_png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/85231e468119ee8ae0d957ceef2d3bba.webp?x-oss-process=image/format,png
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[format_png 2]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/5062955e97a9bec23c5b77b570ff83d0.webp?x-oss-process=image/format,png
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