Java并发编程，Condition的await和signal等待通知机制

Condition简介

Object类是Java中所有类的父类，在线程间实现通信的往往会应用到Object的几个方法： wait(),wait(long timeout),wait(long timeout, int nanos)与notify(),notifyAll() 实现等待/通知机制，同样的，在Java Lock体系下依然会有同样的方法实现等待/通知机制。从整体上来看Object的wait和notify/notify是与对象监视器配合完成线程间的等待/通知机制，Condition与Lock配合完成等待/通知机制，前者是Java底层级别的，后者是语言级别的，具有更高的可控制性和扩展性。两者除了在使用方式上不同外，在功能特性上还是有很多的不同:

Condition能够支持不响应中断，而通过使用Object方式不支持
Condition能够支持多个等待队列（new 多个Condition对象），而Object方式只能支持一个
Condition能够支持超时时间的设置，而Object不支持

参照Object的wait和notify/notifyAll方法，Condition也提供了同样的方法：

针对Object的wait方法

void await() throws InterruptedException//当前线程进入等待状态，如果在等待状态中被中断会抛出被中断异常long awaitNanos(long nanosTimeout)//当前线程进入等待状态直到被通知，中断或者超时boolean await(long time, TimeUnit unit)throws InterruptedException//同第二种，支持自定义时间单位boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException//当前线程进入等待状态直到被通知，中断或者到了某个时间

针对Object的notify/notifyAll方法

void signal()//唤醒一个等待在condition上的线程，将该线程从等待队列中转移到同步队列中，如果在同步队列中能够竞争到Lock则可以从等待方法中返回。void signalAll()//与1的区别在于能够唤醒所有等待在condition上的线程

Condition实现原理分析

等待队列

创建一个Condition对象是通过lock.newCondition(), 而这个方法实际上是会创建ConditionObject对象，该类是AQS的一个内部类。 Condition是要和Lock配合使用的也就是Condition和Lock是绑定在一起的，而lock的实现原理又依赖于AQS，自然而然ConditionObject作为AQS的一个内部类无可厚非。我们知道在锁机制的实现上，AQS内部维护了一个同步队列，如果是独占式锁的话，所有获取锁失败的线程的尾插入到同步队列，同样的，Condition内部也是使用同样的方式，内部维护了一个等待队列，所有调用condition.await方法的线程会加入到等待队列中，并且线程状态转换为等待状态。另外注意到ConditionObject中有两个成员变量：

/** First node of condition queue. */private transient Node firstWaiter;/** Last node of condition queue. */private transient Node lastWaiter;

ConditionObject通过持有等待队列的头尾指针来管理等待队列。注意Node类复用了在AQS中的Node类，Node类有这样一个属性：

//后继节点Node nextWaiter;

等待队列是一个单向队列，而在之前说AQS时知道同步队列是一个双向队列。

等待队列示意图：

注意：我们可以多次调用lock.newCondition()方法创建多个Condition对象，也就是一个lLock可以持有多个等待队列。利用Object的方式实际上是指在对象Object对象监视器上只能拥有一个同步队列和一个等待队列；并发包中的Lock拥有一个同步队列和多个等待队列。示意图如下：

ConditionObject是AQS的内部类，因此每个ConditionObject能够访问到AQS提供的方法，相当于每个Condition都拥有所属同步器的引用。

await实现原理

当调用condition.await()方法后会使得当前获取lock的线程进入到等待队列，如果该线程能够从await()方法返回的话一定是该线程获取了与condition相关联的lock。 await()方法源码如下：

public final void await() throws InterruptedException {    if (Thread.interrupted())        throw new InterruptedException();    // 1. 将当前线程包装成Node，尾插法插入到等待队列中

    Node node = addConditionWaiter();    // 2. 释放当前线程所占用的lock，在释放的过程中会唤醒同步队列中的下一个节点

    int savedState = fullyRelease(node);    int interruptMode = 0;    while (!isOnSyncQueue(node)) {    // 3. 当前线程进入到等待状态

        LockSupport.park(this);        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)            break;

    }    // 4. 自旋等待获取到同步状态（即获取到lock）

    if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)

        interruptMode = REINTERRUPT;    if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled

        unlinkCancelledWaiters();    // 5. 处理被中断的情况

    if (interruptMode != 0)

        reportInterruptAfterWait(interruptMode);

}

当前线程调用condition.await()方法后，会使得当前线程释放lock然后加入到等待队列中，直至被signal/signalAll后会使得当前线程从等待队列中移至到同步队列中去，直到获得了lock后才会从await方法返回，或者在等待时被中断会做中断处理。

addConditionWaiter()将当前线程添加到等待队列中,其源码如下：

private Node addConditionWaiter() {    Node t = lastWaiter;    // If lastWaiter is cancelled, clean out.

    if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {

        unlinkCancelledWaiters();

        t = lastWaiter;

    }    //将当前线程包装成Node

    Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);    if (t == null) //t==null,同步队列为空的情况

        firstWaiter = node;    else

//尾插法

        t.nextWaiter = node;    //更新lastWaiter

    lastWaiter = node;    return node;

}

这里通过尾插法将当前线程封装的Node插入到等待队列中，同时可以看出等待队列是一个不带头结点的链式队列，之前我们学习AQS时知道同步队列是一个带头结点的链式队列。

将当前节点插入到等待对列之后，使用fullyRelease(0)方法释放当前线程释放lock，源码如下：

final int fullyRelease(Node node) {    boolean failed = true;    try {        int savedState = getState();        if (release(savedState)) {    //成功释放同步状态

            failed = false;            return savedState;

        } else {    //不成功释放同步状态抛出异常

            throw new IllegalMonitorStateException();

        }

    } finally {        if (failed)

            node.waitStatus = Node.CANCELLED;

    }

}

调用AQS的模板方法release()方法释放AQS的同步状态并且唤醒在同步队列中头结点的后继节点引用的线程，如果释放成功则正常返回，若失败的话就抛出异常。

如何从await()方法中退出？再看await()方法有这样一段代码：

while (!isOnSyncQueue(node)) {    // 3. 当前线程进入到等待状态

    LockSupport.park(this);    if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)        break;

}

当线程第一次调用condition.await()方法时，会进入到这个while()循环中，然后通过LockSupport.park(this)方法使得当前线程进入等待状态，那么要想退出这个await方法就要先退出这个while循环，退出while循环的出口有2个：

break退出while循环

while循环中的逻辑判断为false

第1种情况的条件是当前等待的线程被中断后会走到break退出，

第2种情况是当前节点被移动到了同步队列中，（即另外线程调用的condition的signal或者signalAll方法）， while中逻辑判断为false后结束while循环。

当退出while循环后就会调用acquireQueued(node, savedState)，该方法的作用是在自旋过程中线程不断尝试获取同步状态，直至成功（线程获取到lock）。

这样就说明了退出await方法必须是已经获得了Condition引用（关联）的Lock。

await方法示意图如下:

调用condition.await方法的线程必须是已经获得了lock，也就是当前线程是同步队列中的头结点。调用该方法后会使得当前线程所封装的Node尾插入到等待队列中。

超时机制的支持

condition还额外支持了超时机制，使用者可调用方法awaitNanos,awaitUtil。这两个方法的实现原理，基本上与AQS中的tryAcquire方法如出一辙。

不响应中断的支持

调用condition.awaitUninterruptibly()方法，该方法的源码为：

public final void awaitUninterruptibly() {    Node node = addConditionWaiter();    int savedState = fullyRelease(node);    boolean interrupted = false;    while (!isOnSyncQueue(node)) {        LockSupport.park(this);        if (Thread.interrupted())

            interrupted = true;

    }    if (acquireQueued(node, savedState) || interrupted)

        selfInterrupt();

}

与上面的

await方法基本一致，只不过减少了对中断的处理， 并省略了reportInterruptAfterWait方法抛被中断的异常。

signal和signalAll实现原理

调用Condition的signal或者signalAll方法可以将等待队列中等待时间最长的节点移动到同步队列中，使得该节点能够有机会获得lock。按照等待队列是先进先出（FIFO）的，所以等待队列的头节点必然会是等待时间最长的节点，也就是每次调用condition的signal方法是将头节点移动到同步队列中。 signal()源码如下：

public final void signal() {    //1. 先检测当前线程是否已经获取lock

    if (!isHeldExclusively())        throw new IllegalMonitorStateException();    //2. 获取等待队列中第一个节点，之后的操作都是针对这个节点

Node first = firstWaiter;    if (first != null)

        doSignal(first);

}

signal方法首先会检测当前线程是否已经获取lock，如果没有获取lock会直接抛出异常，如果获取的话再得到等待队列的头指针引用的节点，doSignal方法也是基于该节点。 doSignal方法源码如下：

private void doSignal(Node first) {    do {        if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)

            lastWaiter = null;    //1. 将头结点从等待队列中移除

        first.nextWaiter = null;    //2. while中transferForSignal方法对头结点做真正的处理

    } while (!transferForSignal(first) &&

             (first = firstWaiter) != null);

}

真正对头节点做处理的是transferForSignal()，该方法源码如下：

final boolean transferForSignal(Node node) {    //1. 更新状态为0

    if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))        return false;    //2.将该节点移入到同步队列中去

    Node p = enq(node);    int ws = p.waitStatus;    if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))        LockSupport.unpark(node.thread);    return true;

}

这段代码主要做了两件事情:

1.将头结点的状态更改为CONDITION
2.调用enq方法，将该节点尾插入到同步队列中

调用condition的signal的前提条件是当前线程已经获取了lock，该方法会使得等待队列中的头节点(等待时间最长的那个节点)移入到同步队列，而移入到同步队列后才有机会使得等待线程被唤醒，即从await方法中的LockSupport.park(this)方法中返回，从而才有机会使得调用await方法的线程成功退出。

signal方法示意图如下:

signalAll

sigllAll与sigal方法的区别体现在doSignalAll方法上。doSignalAll()的源码如下：

private void doSignalAll(Node first) {

    lastWaiter = firstWaiter = null;    do {        Node next = first.nextWaiter;

        first.nextWaiter = null;

        transferForSignal(first);

        first = next;

    } while (first != null);

}

doSignal方法只会对等待队列的头节点进行操作，而doSignalAll方法将等待队列中的每一个节点都移入到同步队列中，即“通知”当前调用condition.await()方法的每一个线程。

await与signal和signalAll的结合

await和signal和signalAll方法就像一个开关控制着线程A（等待方）和线程B（通知方）。它们之间的关系可以用下面一个图来表现得更加贴切：

线程awaitThread先通过lock.lock()方法获取锁成功后调用了condition.await方法进入等待队列，而另一个线程signalThread通过lock.lock()方法获取锁成功后调用了condition.signal或者signalAll方法，使得线程awaitThread能够有机会移入到同步队列中，当其他线程释放lock后使得线程awaitThread能够有机会获取lock，从而使得线程awaitThread能够从await方法中退出，然后执行后续操作。如果awaitThread获取lock失败会直接进入到同步队列。

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