Java多线程（二十三）---Condition接口

2018-09-29 本文已影响22人凯玲之恋

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

1. 通过对比Object的监视器方法和Condition接口

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2 Condition接口与示例

Condition是依赖Lock对象的
使用示例

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();
    }
}

v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定义的方法

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获取一个Condition必须通过Lock的newCondition()方法。

Condition的使用方式
一个有界队列的示例来深入了解Condition的使用方式。有界队列是一种特殊的队列，当队列为空时，队列的获取操作将会阻塞获取线程，直到队列中有新增元素，当队列已满时，队列的插入操作将会阻塞插入线程，直到队列出现“空位”

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();
            }
    }
}

上述示例中，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。

3 Condition的实现分析

ConditionObject是同步器AbstractQueuedSynchronizer的内部类，因为Condition的操作需首先需要获得锁，
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。

3.1 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。
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

等待队列的基本结构图

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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。

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，
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

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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。

3.2 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

 public final void await() throws Interrupt
edException {
    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。
如果从队列的角度去看，当前线程加入Condition的等待队列，该过程如图5-11示。

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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。

3.3 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。
ConditionObject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

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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》