Java编程的逻辑 (72) - 显式条件

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上节我们介绍了显式锁，本节介绍关联的显式条件，介绍其用法和原理。显式条件也可以被称做条件变量、条件队列、或条件，后文我们可能会交替使用。

用法

基本概念和方法

锁用于解决竞态条件问题，条件是线程间的协作机制。显式锁与synchronzied相对应，而显式条件与wait/notify相对应。wait/notify与synchronized配合使用，显式条件与显式锁配合使用。

条件与锁相关联，创建条件变量需要通过显式锁，Lock接口定义了创建方法：

Condition newCondition();

Condition表示条件变量，是一个接口，它的定义为：

public interface Condition {
  void await() throws InterruptedException;
  void awaitUninterruptibly();
  long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;
  boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
  boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;
  void signal();
  void signalAll();
}

await()对应于Object的wait()，signal()对应于notify，signalAll()对应于notifyAll()，语义也是一样的。

与Object的wait方法类似，await也有几个限定等待时间的方法，但功能更多一些：

//等待时间是相对时间，如果由于等待超时返回，返回值为false，否则为true
boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
//等待时间也是相对时间，但参数单位是纳秒，返回值是nanosTimeout减去实际等待的时间
long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;
//等待时间是绝对时间，如果由于等待超时返回，返回值为false，否则为true
boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;

这些await方法都是响应中断的，如果发生了中断，会抛出InterruptedException，但中断标志位会被清空。Condition还定义了一个不响应中断的等待方法：

void awaitUninterruptibly();

该方法不会由于中断结束，但当它返回时，如果等待过程中发生了中断，中断标志位会被设置。

一般而言，与Object的wait方法一样，调用await方法前需要先获取锁，如果没有锁，会抛出异常IllegalMonitorStateException。await在进入等待队列后，会释放锁，释放CPU，当其他线程将它唤醒后，或等待超时后，或发生中断异常后，它都需要重新获取锁，获取锁后，才会从await方法中退出。

另外，与Object的wait方法一样，await返回后，不代表其等待的条件就一定满足了，通常要将await的调用放到一个循环内，只有条件满足后才退出。

一般而言，signal/signalAll与notify/notifyAll一样，调用它们需要先获取锁，如果没有锁，会抛出异常IllegalMonitorStateException。signal与notify一样，挑选一个线程进行唤醒，signalAll与notifyAll一样，唤醒所有等待的线程，但这些线程被唤醒后都需要重新竞争锁，获取锁后才会从await调用中返回。

用法示例

ReentrantLock实现了newCondition方法，通过它，我们来看下条件的基本用法。我们实现与67节类似的例子WaitThread，一个线程启动后，在执行一项操作前，等待主线程给它指令，收到指令后才执行，示例代码为：

public class WaitThread extends Thread {
    private volatile boolean fire = false;
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    private Condition condition = lock.newCondition();

    @Override
    public void run() {
        try {
            lock.lock();
            try {
                while (!fire) {
                    condition.await();
                }
            } finally {
                lock.unlock();
            }
            System.out.println("fired");
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.interrupted();
        }
    }

    public void fire() {
        lock.lock();
        try {
            this.fire = true;
            condition.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        WaitThread waitThread = new WaitThread();
        waitThread.start();
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println("fire");
        waitThread.fire();
    }
}

需要特别注意的是，不要将signal/signalAll与notify/notifyAll混淆，notify/notifyAll是Object中定义的方法，Condition对象也有，稍不注意就会误用，比如，对上面例子中的fire方法，可能会写为：

public void fire() {
    lock.lock();
    try {
        this.fire = true;
        condition.notify();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

写成这样，编译器不会报错，但运行时会抛出IllegalMonitorStateException，因为notify的调用不在synchronized语句内。

同样，避免将锁与synchronzied混用，那样非常令人混淆，比如：

public void fire() {
    synchronized(lock){
        this.fire = true;
        condition.signal();
    }
}

记住，显式条件与显式锁配合，wait/notify与synchronized配合。

生产者/消费者模式

在67节，我们用wait/notify实现了生产者/消费者模式，我们提到了wait/notify的一个局限，它只能有一个条件等待队列，分析等待条件也很复杂。在生产者/消费者模式中，其实有两个条件，一个与队列满有关，一个与队列空有关。使用显式锁，可以创建多个条件等待队列。下面，我们用显式锁/条件重新实现下其中的阻塞队列，代码为：

static class MyBlockingQueue<E> {
    private Queue<E> queue = null;
    private int limit;
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    private Condition notFull  = lock.newCondition();
    private Condition notEmpty = lock.newCondition();

    public MyBlockingQueue(int limit) {
        this.limit = limit;
        queue = new ArrayDeque<>(limit);
    }

    public void put(E e) throws InterruptedException {
        lock.lockInterruptibly();
        try{
            while (queue.size() == limit) {
                notFull.await();
            }
            queue.add(e);
            notEmpty.signal();
        }finally{
            lock.unlock();
        }
    }

    public E take() throws InterruptedException {
        lock.lockInterruptibly();
        try{
            while (queue.isEmpty()) {
                notEmpty.await();
            }
            E e = queue.poll();
            notFull.signal();
            return e;
        }finally{
            lock.unlock();
        }
    }
}

定义了两个等待条件：不满(notFull)、不空(notEmpty)，在put方法中，如果队列满，则在noFull上等待，在take方法中，如果队列空，则在notEmpty上等待，put操作后通知notEmpty，take操作后通知notFull。

这样，代码更为清晰易读，同时避免了不必要的唤醒和检查，提高了效率。Java并发包中的类ArrayBlockingQueue就采用了类似的方式实现。

实现原理
ConditionObject
理解了显式条件的概念和用法，我们来看下ReentrantLock是如何实现它的，其newCondition()的代码为：

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

sync是ReentrantLock的内部类对象，其newCondition()代码为：

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

ConditionObject是AQS中定义的一个内部类，不了解AQS请参看上节。ConditionObject的实现也比较复杂，我们通过一些主要代码来简要探讨其实现原理。ConditionObject内部也有一个队列，表示条件等待队列，其成员声明为：

//条件队列的头节点
private transient Node firstWaiter;
//条件队列的尾节点
private transient Node lastWaiter;

ConditionObject是AQS的成员内部类，它可以直接访问AQS中的数据，比如AQS中定义的锁等待队列。

我们看下几个方法的实现，先看await方法。

await实现分析

下面是await方法的代码，我们通过添加注释解释其基本思路。

public final void await() throws InterruptedException {
    // 如果等待前中断标志位已被设置，直接抛异常
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    // 1.为当前线程创建节点，加入条件等待队列
    Node node = addConditionWaiter();
    // 2.释放持有的锁
    int savedState = fullyRelease(node);
    int interruptMode = 0;
    // 3.放弃CPU，进行等待，直到被中断或isOnSyncQueue变为true
    // isOnSyncQueue为true表示节点被其他线程从条件等待队列
    // 移到了外部的锁等待队列,等待的条件已满足
    while (!isOnSyncQueue(node)) {
        LockSupport.park(this);
        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
            break;
    }
    // 4.重新获取锁
    if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
        interruptMode = REINTERRUPT;
    if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
        unlinkCancelledWaiters();
    // 5.处理中断，抛出异常或设置中断标志位
    if (interruptMode != 0)
        reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}

awaitNanos实现分析

awaitNanos与await的实现是基本类似的，区别主要是会限定等待的时间，如下所示：

public final long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    Node node = addConditionWaiter();
    int savedState = fullyRelease(node);
    long lastTime = System.nanoTime();
    int interruptMode = 0;
    while (!isOnSyncQueue(node)) {
        if (nanosTimeout <= 0L) {
            //等待超时，将节点从条件等待队列移到外部的锁等待队列
            transferAfterCancelledWait(node);
            break;
        }
        //限定等待的最长时间
        LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
            break;

        long now = System.nanoTime();
        //计算下次等待的最长时间
        nanosTimeout -= now - lastTime;
        lastTime = now;
    }
    if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
        interruptMode = REINTERRUPT;
    if (node.nextWaiter != null)
        unlinkCancelledWaiters();
    if (interruptMode != 0)
        reportInterruptAfterWait(interruptMode);
    return nanosTimeout - (System.nanoTime() - lastTime);
}

signal实现分析

signal方法代码为：

public final void signal() {
    //验证当前线程持有锁
    if (!isHeldExclusively())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    //调用doSignal唤醒等待队列中第一个线程
    Node first = firstWaiter;
    if (first != null)
        doSignal(first);
}

doSignal的代码就不列举了，其基本逻辑是：

1. 将节点从条件等待队列移到锁等待队列
2. 调用LockSupport.unpark将线程唤醒

小结

本节介绍了显式条件的用法和实现原理。它与显式锁配合使用，与wait/notify相比，可以支持多个条件队列，代码更为易读，效率更高，使用时注意不要将signal/signalAll误写为notify/notifyAll。

从70节到本节，我们介绍了Java并发包的基础 - 原子变量和CAS、显式锁和条件，基于这些，Java并发包还提供了很多更为易用的高层数据结构、工具和服务，从下一节开始，我们先探讨一些并发数据结构。

(与其他章节一样，本节所有代码位于 https://github.com/swiftma/program-logic)

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