难以理解的AQS（下）

在上一篇博客，简单的说下了AQS的基本概念，核心源码解析，但是还有一部分内容没有涉及到，就是AQS对条件变量的支持，这篇博客将着重介绍这方面的内容。

条件变量

基本应用

我们先通过模拟一个消费者/生产者模型来看下条件变量的基本应用：

• 当有数据的时候，生产者停止生产数据，通知消费者消费数据；
• 当没有数据的时候，消费者停止消费数据，通知生产者生产数据；

public class CommonResource {
    private boolean isHaveData = false;

    Lock lock = new ReentrantLock();

    Condition producer_con = lock.newCondition();
    Condition consumer_con = lock.newCondition();

    public void product() {
        lock.lock();
        try {
            while (isHaveData) {
                try {
                    System.out.println("还有数据，等待消费数据");
                    producer_con.await();
                } catch (InterruptedException e) {
                }
            }
            System.out.println("生产者生产数据了");
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            isHaveData = true;
            consumer_con.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void consume() {
        lock.lock();
        try {
            while (!isHaveData) {
                try {
                    System.out.println("没有数据了，等待生产者消费数据");
                    consumer_con.await();
                } catch (InterruptedException e) {
                }
            }
            System.out.println("消费者消费数据");
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            isHaveData = false;
            producer_con.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        CommonResource resource = new CommonResource();
        new Thread(() -> {
            while (true) {
                resource.product();
            }
        }).start();

        new Thread(() -> {
            while (true) {
                resource.consume();
            }
        }).start();
    }
}

运行结果：

这就是条件变量的应用，第一反应是不是和object中的wait/nofity很像，wait/nofity是配合synchronized工作的，而条件变量的await/signal是配合使用AQS实现的锁

来完成工作的，当然也要看用AQS实现的锁是否支持了条件变量。synchronized只能与一个共享变量进行工作，而AQS实现的锁支持多个条件变量。

我们试着分析下上面的代码：

首先创建了两个条件变量，一个条件变量用来阻塞/唤醒消费者线程，一个条件变量用来阻塞/唤醒生产者线程。

生产者，首先获取了独占锁，判断是否有数据：

• 如果有数据，则调用条件变量producer_con的await方法，阻塞当前线程，当消费者线程再次调用该条件变量producer_con的signal方法，就会唤醒该线程。
• 如果没有数据，则生产数据，并且调用条件变量consumer_con的signal方法，唤醒因为调用consumer_con的await方法而被阻塞的消费者线程。

最终释放锁。

消费者，首先获取了独占锁，判断是否有数据：

• 如果没有数据，则调用条件变量consumer_con的await方法，阻塞当前线程，当生产者线程再次调用该条件变量consumer_con的signal方法，就会唤醒该线程。
• 如果有数据，则消费数据，并且调用条件变量producer_con的signal方法，唤醒因为调用producer_con的await方法而被阻塞的生产者线程。

最终释放锁。

这里有一点需要特别注意：

• 释放锁，一般应该放在finally里面，以防中间出现异常，锁没有被释放。

为了加深对条件变量的理解，我们再来看一个例子，两个线程交替打印奇偶数：

public class Test {
    private int num = 0;
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    Condition condition = lock.newCondition();
    public void add() {
        while(num<100) {
            try {
                lock.lock();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + num++);
                condition.signal();
                condition.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Test test=new Test();
        new Thread(() -> {
            test.add();
        }).start();

        new Thread(() -> {
            test.add();
        }).start();
    }
}

运行结果：

翻阅网上的大多数案例是分两个线程方法交替打印，同时开两个条件变量，其中一个条件变量负责阻塞/唤醒打印奇数的线程，一个变量负责阻塞/唤醒打印偶数的线程，但是个人觉得没什么必要，两个线程共用一个线程方法，共用一个条件变量也可以。不知道各位看官是什么想的？

源码解析

当我们点开lock.newCondition，发现它有好几个实现类：



我们选择ReentrantLock的实现类，实际上其他实现类也是相同的，只是为了和上面案例中的对应起来，所以先选择ReentrantLock的实现类：

   public Condition newCondition() {
        return sync.newCondition();
    }

继续往下点：

        final ConditionObject newCondition() {
            return new ConditionObject();
        }

可以看到，当我们调用lock.newnewCondition，最终会new出一个ConditionObject对象，而ConditionObject类是AbstractQueuedSynchronizer的内部类，我们先看下ConditionObject的UML图：



其中firstWaiter保存的是该条件变量下条件队列的首节点，lastWaiter保存的是该条件变量下条件队列的尾节点。这里只保存了条件队列的首节点和尾节点，中间的节点保存在哪里呢？ 让我们点开await方法:

        public final void await() throws InterruptedException {
            if (Thread.interrupted())
                throw new InterruptedException();
            Node node = addConditionWaiter();
            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);
        }

在这里，我们就搞清楚三个问题即可：

• 完整的条件队列保存在哪里，以什么方式保存？
• await方法，是如何释放锁的？
• await方法，是如何阻塞线程的？

第一个问题在addConditionWaiter方法可以得到答案：

        private Node addConditionWaiter() {
            Node t = lastWaiter;
            // If lastWaiter is cancelled, clean out.
            if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
                unlinkCancelledWaiters();
                t = lastWaiter;
            }
            Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
            if (t == null)
                firstWaiter = node;
            else
                t.nextWaiter = node;
            lastWaiter = node;
            return node;
        }

首先是判断条件队列中的尾节点是否被取消了，如果被取消了，执行unlinkCancelledWaiters方法。我们这里肯定没有被取消，事实上，如果是第一次调用await方法，lastWaiter是为空的，所以肯定不会进入第一个if。随后，新建一个Node，这个Node类就是上一篇博客中大量介绍过的，也是AbstractQueuedSynchronizer的内部类，也就是新建了一个Node节点，其中保存了当前线程和Node的类型，这里Node的类型是CONDITION，如果t==null，则说明新建的Node是第一个节点，所以赋值给firstWaiter ，否则将尾节点的nextWaiter设置为新Node，形成一个单向链表，这个nextWaiter在哪里呢，它是通过node点出来的，也就是它也属于node类的一个字段：



这说明了一个比较重要的问题：

AQS的阻塞队列是以双向的链表的形式保存的，是通过prev和next建立起关系的，但是AQS中的条件队列是以单向链表的形式保存的，是通过nextWaiter建立起关系的，也就是AQS的阻塞队列和AQS中的条件队列并非同一个队列。

第一个问题解决了，我们再来看第二个问题，第二个问题答案在await的第二个方法：

    final int fullyRelease(Node node) {
        boolean failed = true;
        try {
            int savedState = getState();
            if (release(savedState)) {
                failed = false;
                return savedState;
            } else {
                throw new IllegalMonitorStateException();
            }
        } finally {
            if (failed)
                node.waitStatus = Node.CANCELLED;
        }
    }

首先调用getState方法，这个state是什么，不知大家是否还有印象，对于ReentrantLock来说，state就是重入次数，随后调用release方法，传入state。也就是不管重入了多少次，这里是一次性把锁完全释放掉。

    public final boolean release(int arg) {
        if (tryRelease(arg)) {
            Node h = head;
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }
        return false;
    }

可以看到释放锁还是调用了tryRelease方法，这个方法正是需要被重写的。

当完成了前两个方法的调用后，就会进行一个判断isOnSyncQueue，一般来说会进入这个if，park这个线程，等待唤醒，这就解决了第三个问题。

下面我们再来看看signal方法，同样的，我们需要解决几个问题：

• AQS的条件队列和阻塞队列既然不是同一个队列，那么是不是被await的线程永远不会进入阻塞队列？
• signal方法是如何唤醒线程的？

        public final void signal() {
            if (!isHeldExclusively())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            Node first = firstWaiter;
            if (first != null)
                doSignal(first);
        }

重点在于doSignal中的transferForSignal方法：

    final boolean transferForSignal(Node node) {
        /*
         * If cannot change waitStatus, the node has been cancelled.
         */
        if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
            return false;

        /*
         * Splice onto queue and try to set waitStatus of predecessor to
         * indicate that thread is (probably) waiting. If cancelled or
         * attempt to set waitStatus fails, wake up to resync (in which
         * case the waitStatus can be transiently and harmlessly wrong).
         */
        Node p = enq(node);
        int ws = p.waitStatus;
        if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
            LockSupport.unpark(node.thread);
        return true;

在这个方法中，我们会调用enq方法，把条件队列的线程放入阻塞队列中，然后调用unpark方法，唤醒线程。

本篇博客到这里也结束了。

经过上下两篇博客，相信大家对AQS一定有了一个比较浅显的理解。聪明的你，可以看出来，其实这两篇博客有很多内容都没有讲透，甚至有点模棱两可，只是“蜻蜓点水”，所以这也符合了我的标题：难以理解的AQS。的确，AQS要深入研究的话，不比线程池简单多少。看，我又再给自己找理由了。希望经过今后的沉淀，我可以把这两篇博客重写下，然后换个标题“彻底理解AQS”，嘿嘿。