Condition接口
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。Condition接口也提供了类似Object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。
通过对比Object的监视器方法和Condition接口，可以更详细地了解Condition的特性，如下表所示：
| 对比项 | Object监视器方法 | Condition |
|---|---|---|
| 前置条件 | 获取对象的锁 | 调用Lock.lock()获取锁 调用Lock.newCondition()获取Condition对象 |
| 调用方式 | 直接调用 如：object.wait() |
直接调用 如condition.await() |
| 等待队列个数 | 一个 | 多个 |
| 当前线程释放锁并进入等待状态 | 支持 | 支持 |
| 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 |
不支持 | 支持 |
| 当前线程释放锁并进入超时等待状态 | 支持 | 支持 |
| 当前线程释放锁并进入等待状态到将来的某个时间 | 不支持 | 支持 |
| 唤醒等待队列中的一个线程 | 支持 | 支持 |
| 唤醒等待队列中的全部线程 | 支持 | 支持 |
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，换句话说，Condition是依赖Lock对象的。
下面我们来看一则代码示例：
public class BoundedQueue<T> {
private Object[] items;
// 添加的下标，删除的下标和数组当前数量
private int addIndex, removeIndex, count;
private Lock lock = new ReentrantLock();
private Condition notEmpty = lock.newCondition();
private Condition notFull = lock.newCondition();
public BoundedQueue(int size) {
items = new Object[size];
}
// 添加一个元素，如果数组满，则添加线程进入等待状态，直到有"空位"
public void add(T t) throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
while (count == items.length) {
notFull.await();
}
items[addIndex] = t;
if (++addIndex == items.length) {
addIndex = 0;
}
++count;
notEmpty.signal();
} finally {
lock.unlock();
}
}
// 由头部删除一个元素，如果数组空，则删除线程进入等待状态，直到有新添加元素
@SuppressWarnings("unchecked")
public T remove() throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
while (count == 0) {
notEmpty.await();
}
Object x = items[removeIndex];
if (++removeIndex == items.length) {
removeIndex = 0;
}
--count;
notFull.signal();
return (T) x;
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
上述代码中，BoundedQueue通过add(T t)方法添加一个元素，通过remove()方法移出一个元素。以添加方法为例。
首先需要获得锁，目的是确保数组修改的可见性和排他性。当数组数量等于数组长度时，表示数组已满，则调用notFull.await()，当前线程随之释放锁并进入等待状态。如果数组数量不等于数组长度，表示数组未满，则添加元素到数组中，同时通知等待在notEmpty上的线程，数组中已经有新元素可以获取。
在添加和删除方法中使用while循环而非if判断，目的是防止过早或意外的通知，只有条件符合才能够退出循环。回想之前提到的等待/通知的经典范式，二者是非常类似的。
下面我们来一段代码对BoundedQueue进行测试：
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
BoundedQueue<Integer> boundedQueue = new BoundedQueue<>(2);
// 步骤1
for (int i = 0; i < 5; i++) {
final int l = i;
new Thread(() -> {
try {
Thread.sleep((l + 1) * 1000);
boundedQueue.add(l);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
}
// 步骤2
for (int i = 0; i < 5; i++) {
new Thread(() -> {
try {
Integer remove = boundedQueue.remove();
System.out.println(remove + " get at: " + System.currentTimeMillis());
} catch (InterruptedException e) {
}
}).start();
}
Thread.sleep(10000);
System.out.println("-----------------------------------");
// 步骤3
for (int i = 0; i < 5; i++) {
final int l = i;
new Thread(() -> {
try {
boundedQueue.add(l);
System.out.println(l + " insert at: " + System.currentTimeMillis());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
}
// 步骤4
for (int i = 0; i < 5; i++) {
final int l = i;
new Thread(() -> {
try {
Thread.sleep((l + 1) * 1000);
boundedQueue.remove();
} catch (InterruptedException e) {
}
}).start();
}
}
输出结果如下：
0 get at: 1595563736709
1 get at: 1595563737709
2 get at: 1595563738709
3 get at: 1595563739709
4 get at: 1595563740709
-----------------------------------
0 insert at: 1595563745712
2 insert at: 1595563745712
3 insert at: 1595563746713
4 insert at: 1595563747713
1 insert at: 1595563748713
测试代码中先创建了5个线程每隔1秒对boundedQueue进行添加，再创建了5个线程直接对boundedQueue取元素并且移除，从结果可知步骤2中的get由于没有足够的元素，所以在get时进入了阻塞，直到下一秒步骤1中的线程醒来然后进行了add并唤醒，步骤2中阻塞的线程同时醒来。这里测试了notEmpty.await()功能。
线程休眠10秒之后步骤3重新启动5个线程进行add，此时由于boundedQueue空间为2，前两个线程可以正常add，而后add的线程由于空间不足阻塞在notFull上，直到下一秒步骤4中的线程remove掉一个元素，此时唤醒一个等待在notFull上的线程进行add，直到所有步骤3中的线程执行结束。
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，我们将主要分析Condition的等待队列、等待和通知。
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。事实上，节点的定义复用了同步器中节点的定义，也就是说，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。
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，基本结构如下图所示：
等待队列的基本结构
如图所示，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，其关系如下所示：
同步队列与等待队列
如图所示，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。下面是ConditionObject的await方法：
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) // clean up if cancelled
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。
如果从队列的角度去看，当前线程加入Condition的等待队列，该过程如下图所示：
当前线程加入等待队列
如图所示，同步队列的首节点并不会直接加入等待队列，而是通过addConditionWaiter()方法把当前线程构造成一个新的节点并将其加入等待队列中。
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，下面是Condition的signal()方法。
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。
节点从等待队列移动到同步队列的过程如下图所示：
节点从等待队列移动到同步队列
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。
本文摘自《Java并发编程的艺术》
