死磕Java并发：J.U.C之Condition

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作者：chenssy

来源：http://cmsblogs.com/?p=2222

在没有Lock之前，我们使用synchronized来控制同步，配合Object的wait()、notify()系列方法可以实现等待/通知模式。在Java SE5后，Java提供了Lock接口，相对于Synchronized而言，Lock提供了条件Condition，对线程的等待、唤醒操作更加详细和灵活。下图是Condition与Object的监视器方法的对比（摘自《Java并发编程的艺术》）：

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Condition提供了一系列的方法来对阻塞和唤醒线程：

await() ：造成当前线程在接到信号或被中断之前一直处于等待状态。
await(long time, TimeUnit unit) ：造成当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态。
awaitNanos(long nanosTimeout) ：造成当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态。返回值表示剩余时间，如果在nanosTimesout之前唤醒，那么返回值 = nanosTimeout - 消耗时间，如果返回值 <= 0 ,则可以认定它已经超时了。
awaitUninterruptibly() ：造成当前线程在接到信号之前一直处于等待状态。【注意：该方法对中断不敏感】。
awaitUntil(Date deadline) ：造成当前线程在接到信号、被中断或到达指定最后期限之前一直处于等待状态。如果没有到指定时间就被通知，则返回true，否则表示到了指定时间，返回返回false。
signal()：唤醒一个等待线程。该线程从等待方法返回前必须获得与Condition相关的锁。
signal()All：唤醒所有等待线程。能够从等待方法返回的线程必须获得与Condition相关的锁。

Condition是一种广义上的条件队列。他为线程提供了一种更为灵活的等待/通知模式，线程在调用await方法后执行挂起操作，直到线程等待的某个条件为真时才会被唤醒。Condition必须要配合锁一起使用，因为对共享状态变量的访问发生在多线程环境下。一个Condition的实例必须与一个Lock绑定，因此Condition一般都是作为Lock的内部实现。

1、Condtion的实现

获取一个Condition必须要通过Lock的newCondition()方法。该方法定义在接口Lock下面，返回的结果是绑定到此 Lock 实例的新 Condition 实例。

Condition为一个接口，其下仅有一个实现类ConditionObject，由于Condition的操作需要获取相关的锁，而AQS则是同步锁的实现基础，所以ConditionObject则定义为AQS的内部类。定义如下：

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等待队列

每个Condition对象都包含着一个FIFO队列，该队列是Condition对象通知/等待功能的关键。在队列中每一个节点都包含着一个线程引用，该线程就是在该Condition对象上等待的线程。我们看Condition的定义就明白了：

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从上面代码可以看出Condition拥有首节点（firstWaiter），尾节点（lastWaiter）。当前线程调用await()方法，将会以当前线程构造成一个节点（Node），并将节点加入到该队列的尾部。结构如下：

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Node里面包含了当前线程的引用。Node定义与AQS的CLH同步队列的节点使用的都是同一个类（AbstractQueuedSynchronized.Node静态内部类）。

Condition的队列结构比CLH同步队列的结构简单些，新增过程较为简单只需要将原尾节点的nextWaiter指向新增节点，然后更新lastWaiter即可。

等待

调用Condition的await()方法会使当前线程进入等待状态，同时会加入到Condition等待队列同时释放锁。当从await()方法返回时，当前线程一定是获取了Condition相关连的锁。

public final void await() throws InterruptedException {
// 当前线程中断
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
//当前线程加入等待队列
Node node = addConditionWaiter();
//释放锁
long savedState = fullyRelease(node);
int interruptMode = 0;
/**
* 检测此节点的线程是否在同步队上，如果不在，则说明该线程还不具备竞争锁的资格，则继续等待
* 直到检测到此节点在同步队列上
*/
while (!isOnSyncQueue(node)) {
//线程挂起
LockSupport.park(this);
//如果已经中断了，则退出
if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
break;
}
//竞争同步状态
if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
interruptMode = REINTERRUPT;
//清理下条件队列中的不是在等待条件的节点
if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
unlinkCancelledWaiters();
if (interruptMode != 0)
reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}

此段代码的逻辑是：首先将当前线程新建一个节点同时加入到条件队列中，然后释放当前线程持有的同步状态。然后则是不断检测该节点代表的线程释放出现在CLH同步队列中（收到signal信号之后就会在AQS队列中检测到），如果不存在则一直挂起，否则参与竞争同步状态。

加入条件队列（addConditionWaiter()）源码如下：

private Node addConditionWaiter() {
Node t = lastWaiter; //尾节点
//Node的节点状态如果不为CONDITION，则表示该节点不处于等待状态，需要清除节点
if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
//清除条件队列中所有状态不为Condition的节点
unlinkCancelledWaiters();
t = lastWaiter;
}
//当前线程新建节点，状态CONDITION
Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
/**
* 将该节点加入到条件队列中最后一个位置
*/
if (t == null)
firstWaiter = node;
else
t.nextWaiter = node;
lastWaiter = node;
return node;
}

该方法主要是将当前线程加入到Condition条件队列中。当然在加入到尾节点之前会清楚所有状态不为Condition的节点。

fullyRelease(Node node)，负责释放该线程持有的锁。

final long fullyRelease(Node node) {
boolean failed = true;
try {
//节点状态--其实就是持有锁的数量
long savedState = getState();
//释放锁
if (release(savedState)) {
failed = false;
return savedState;
} else {
throw new IllegalMonitorStateException();
}
} finally {
if (failed)
node.waitStatus = Node.CANCELLED;
}
}

isOnSyncQueue(Node node)：如果一个节点刚开始在条件队列上，现在在同步队列上获取锁则返回true。

final boolean isOnSyncQueue(Node node) {
//状态为Condition，获取前驱节点为null，返回false
if (node.waitStatus == Node.CONDITION || node.prev == null)
return false;
//后继节点不为null，肯定在CLH同步队列中
if (node.next != null)
return true;
return findNodeFromTail(node);
}

unlinkCancelledWaiters()：负责将条件队列中状态不为Condition的节点删除。

private void unlinkCancelledWaiters() {
Node t = firstWaiter;
Node trail = null;
while (t != null) {
Node next = t.nextWaiter;
if (t.waitStatus != Node.CONDITION) {
t.nextWaiter = null;
if (trail == null)
firstWaiter = next;
else
trail.nextWaiter = next;
if (next == null)
lastWaiter = trail;
}
else
trail = t;
t = next;
}
}

通知

调用Condition的signal()方法，将会唤醒在等待队列中等待最长时间的节点（条件队列里的首节点），在唤醒节点前，会将节点移到CLH同步队列中。

public final void signal() {
//检测当前线程是否为拥有锁的独
if (!isHeldExclusively())
throw new IllegalMonitorStateException();
//头节点，唤醒条件队列中的第一个节点
Node first = firstWaiter;
if (first != null)
doSignal(first); //唤醒
}

该方法首先会判断当前线程是否已经获得了锁，这是前置条件。然后唤醒条件队列中的头节点。

doSignal(Node first)：唤醒头节点。

private void doSignal(Node first) {
do {
//修改头结点，完成旧头结点的移出工作
if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
lastWaiter = null;
first.nextWaiter = null;
} while (!transferForSignal(first) &&
(first = firstWaiter) != null);
}

doSignal(Node first)主要是做两件事：

修改头节点；
调用transferForSignal(Node first) 方法将节点移动到CLH同步队列中。

transferForSignal(Node first)源码如下：

final boolean transferForSignal(Node node) {
//将该节点从状态CONDITION改变为初始状态0,
if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
return false;
//将节点加入到syn队列中去，返回的是syn队列中node节点前面的一个节点
Node p = enq(node);
int ws = p.waitStatus;
//如果结点p的状态为cancel 或者修改waitStatus失败，则直接唤醒
if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
LockSupport.unpark(node.thread);
return true;
}

整个通知的流程如下：

判断当前线程是否已经获取了锁，如果没有获取则直接抛出异常，因为获取锁为通知的前置条件。
如果线程已经获取了锁，则将唤醒条件队列的首节点。
唤醒首节点是先将条件队列中的头节点移出，然后调用AQS的enq(Node node)方法将其安全地移到CLH同步队列中。
最后判断如果该节点的同步状态是否为Cancel，或者修改状态为Signal失败时，则直接调用LockSupport唤醒该节点的线程。

总结

一个线程获取锁后，通过调用Condition的await()方法，会将当前线程先加入到条件队列中，然后释放锁，最后通过isOnSyncQueue(Node node)方法不断自检看节点是否已经在CLH同步队列了，如果是则尝试获取锁，否则一直挂起。

当线程调用signal()方法后，程序首先检查当前线程是否获取了锁，然后通过doSignal(Node first)方法唤醒CLH同步队列的首节点。被唤醒的线程，将从await()方法中的while循环中退出来，然后调用acquireQueued()方法竞争同步状态。

2、Condition的应用

只知道原理，如果不知道使用那就坑爹了，下面是用Condition实现的生产者消费者问题：

public class Condition{

private LinkedList<String> buffer; //容器
private int maxSize ;
private Lock lock;
private Condition fullCondition;
private Condition notFullCondition;

ConditionTest(int maxSize){
this.maxSize = maxSize;
buffer = new LinkedList<String>();
lock = new ReentrantLock();
fullCondition = lock.newCondition();
notFullCondition = lock.newCondition();
}
public void set(String string) throws InterruptedException {
lock.lock(); //获取锁
try {
while (maxSize == buffer.size()){
notFullCondition.await(); //满了，添加的线程进入等待状态
}
buffer.add(string);
fullCondition.signal();
} finally {
lock.unlock(); //记得释放锁
}
}
public String get() throws InterruptedException {
String string;
lock.lock();
try {
while (buffer.size() == 0){
fullCondition.await();
}
string = buffer.poll();
notFullCondition.signal();
} finally {
lock.unlock();
}
return string;
}

}

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