多线程锁--怎么理解Condition

在java.util.concurrent包中，有两个很特殊的工具类，Condition和ReentrantLock,使用过的人都知道，ReentrantLock（重入锁）是jdk的concurrent包提供的一种独占锁的实现。它继承自Dong Lea的 AbstractQueuedSynchronizer（同步器），确切的说是ReentrantLock的一个内部类继承了AbstractQueuedSynchronizer，ReentrantLock只不过是代理了该类的一些方法，可能有人会问为什么要使用内部类在包装一层？ 我想是安全的关系，因为AbstractQueuedSynchronizer中有很多方法，还实现了共享锁，Condition(稍候再细说)等功能，如果直接使ReentrantLock继承它，则很容易出现AbstractQueuedSynchronizer中的API被无用的情况。

言归正传，今天，我们讨论下Condition工具类的实现。

ReentrantLock和Condition的使用方式通常是这样的：

运行后，结果如下：

可以看到，

Condition的执行方式，是当在线程1中调用await方法后，线程1将释放锁，并且将自己沉睡，等待唤醒，

线程2获取到锁后，开始做事，完毕后，调用Condition的signal方法，唤醒线程1，线程1恢复执行。

以上说明Condition是一个多线程间协调通信的工具类，使得某个，或者某些线程一起等待某个条件（Condition）,只有当该条件具备( signal 或者 signalAll方法被带调用)时 ，这些等待线程才会被唤醒，从而重新争夺锁。

那，它是怎么实现的呢？

首先还是要明白，reentrantLock.newCondition() 返回的是Condition的一个实现，该类在AbstractQueuedSynchronizer中被实现，叫做newCondition（）

它可以访问AbstractQueuedSynchronizer中的方法和其余内部类（ AbstractQueuedSynchronizer是个抽象类，至于他怎么能访问，这里有个很奇妙的点，后面我专门用demo说明 ）

现在，我们一起来看下Condition类的实现，还是从上面的demo入手，

为了方便书写，我将AbstractQueuedSynchronizer缩写为AQS

当await被调用时，代码如下：

public final void await() throws InterruptedException {

if (Thread.interrupted())

 throw new InterruptedException();

 Node node = addConditionWaiter(); //将当前线程包装下后，

                                   //添加到Condition自己维护的一个链表中。

int savedState = fullyRelease(node);//释放当前线程占有的锁，从demo中看到，

                                       //调用await前，当前线程是占有锁的

 

int interruptMode = 0;

 while (!isOnSyncQueue(node)) {//释放完毕后，遍历AQS的队列，看当前节点是否在队列中，

                           //不在 说明它还没有竞争锁的资格，所以继续将自己沉睡。

                             //直到它被加入到队列中，聪明的你可能猜到了，

                            //没有错，在singal的时候加入不就可以了？

 LockSupport.park(this);

 if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)

 break;

 }

//被唤醒后，重新开始正式竞争锁，同样，如果竞争不到还是会将自己沉睡，等待唤醒重新开始竞争。

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

 interruptMode = REINTERRUPT;

 if (node.nextWaiter != null)

 unlinkCancelledWaiters();

 if (interruptMode != 0)

 reportInterruptAfterWait(interruptMode);

 }

回到上面的demo，锁被释放后，线程1开始沉睡，这个时候线程因为线程1沉睡时，会唤醒AQS队列中的头结点，所所以线程2会开始竞争锁，并获取到，等待3秒后，线程2会调用signal方法，“发出”signal信号，signal方法如下：

public final void signal() {

 if (!isHeldExclusively())

 throw new IllegalMonitorStateException();

 Node first = firstWaiter; //firstWaiter为condition自己维护的一个链表的头结点，

                          //取出第一个节点后开始唤醒操作

 if (first != null)

 doSignal(first);

 }

说明下，其实Condition内部维护了等待队列的头结点和尾节点，该队列的作用是存放等待signal信号的线程，该线程被封装为Node节点后存放于此。

关键的就在于此，我们知道AQS自己维护的队列是当前等待资源的队列，AQS会在资源被释放后，依次唤醒队列中从前到后的所有节点，使他们对应的线程恢复执行。直到队列为空。

而Condition自己也维护了一个队列，该队列的作用是维护一个等待signal信号的队列，两个队列的作用是不同，事实上，每个线程也仅仅会同时存在以上两个队列中的一个，流程是这样的：

1. 线程1调用reentrantLock.lock时，线程被加入到AQS的等待队列中。

2. 线程1调用await方法被调用时，该线程从AQS中移除，对应操作是锁的释放。

3. 接着马上被加入到Condition的等待队列中，以为着该线程需要signal信号。

4. 线程2，因为线程1释放锁的关系，被唤醒，并判断可以获取锁，于是线程2获取锁，并被加入到AQS的等待队列中。

5.  线程2调用signal方法，这个时候Condition的等待队列中只有线程1一个节点，于是它被取出来，并被加入到AQS的等待队列中。  注意，这个时候，线程1 并没有被唤醒。

6. signal方法执行完毕，线程2调用reentrantLock.unLock()方法，释放锁。这个时候因为AQS中只有线程1，于是，AQS释放锁后按从头到尾的顺序唤醒线程时，线程1被唤醒，于是线程1回复执行。

7. 直到释放所整个过程执行完毕。

可以看到，整个协作过程是靠结点在AQS的等待队列和Condition的等待队列中来回移动实现的，Condition作为一个条件类，很好的自己维护了一个等待信号的队列，并在适时的时候将结点加入到AQS的等待队列中来实现的唤醒操作。

看到这里，signal方法的代码应该不难理解了。

取出头结点，然后doSignal

private void doSignal(Node first) {

 do {

 if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null) //修改头结点，完成旧头结点的移出工作

 lastWaiter = null;

 first.nextWaiter = null;

 } while (!transferForSignal(first) &&//将老的头结点，加入到AQS的等待队列中

 (first = firstWaiter) != null);

 }

 

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;

//如果该结点的状态为cancel 或者修改waitStatus失败，则直接唤醒。

 if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))

 LockSupport.unpark(node.thread);

 return true;

 }

可以看到，正常情况 ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL) 这个判断是不会为true的，所以，不会在这个时候唤醒该线程。

只有到发送signal信号的线程调用reentrantLock.unlock()后因为它已经被加到AQS的等待队列中，所以才会被唤醒。

总结：

本文从代码的角度说明了Condition的实现方式，其中，涉及到了AQS的很多操作，比如AQS的等待队列实现独占锁功能，不过，这不是本文讨论的重点，等有机会再将AQS的实现单独分享出来。

 

2

 

更多

• 关于Condition中访问AQS方法的问题
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关于CONDITION中访问AQS方法的问题

7 thoughts on “怎么理解Condition”

1. 信言说道：
   2014年2月15日 下午11:00

   向楼主请教一个问题，如最后的流程所述：
   “1. 线程1调用reentrantLock.lock时，线程被加入到AQS的等待队列中。”
   此时无线程争用锁，线程1会先tryAcquire一次，成功则无需入队。因此我认为此处线程1并未加入到AQS的等待队列中。

   “2. 线程1调用await方法被调用时，该线程从AQS中移除，对应操作是锁的释放。”
   我理解lock之后unlock之前都是在临界区内，此时调await直接释放锁（离开临界区）OK，但无需从AQS移除，因为移除是即将进入临界区那一刻的事情。

   “4. 线程2，因为线程1释放锁的关系，被唤醒，并判断可以获取锁，于是线程2获取锁，并被加入到AQS的等待队列中。”
   同理，我认为最后一句加入到AQS队列有误。

   另外，楼主的代码中变量名最好改成thread1和thread2方便对号入座，谢谢！

   回复
   1. liuinsect说道：
      2014年2月17日 下午3:12

      你好，根据你的描述，依次回复下你的问题：
      1. AQS中维护者唯一的一个队列，该队列支持两种模式：独占模式和共享模式，本文中提到的reentrantlock使用的是其独占模式，该队列描述了多线程环境下对锁资源的占用情况，其中，头结点即是表明占有该资源的线程。
      所以，如果线程1成功获取锁，则线程1会被包装成一个Node（AQS中的内部数据结构）加入到AQS的队列中，你所说的并未加入，是不准确的。
      2.调用await方法后，是会从AQS的该队列中移除该Node的，从我本文贴出的源码中可以看到，在await方法中有fullyRelease操作，这个操作会引起结点的移除。

      最后，再说明下，AQS只是维护了一个在多线程环境下对某个资源的占用情况，对外，可以理解成“临界区” 但在AQS内部来说，不过是检查在当前条件下是否可以获取资源这种操作的一种封装。所以，AQS的队列上挂了所有对该资源请求的线程，而AQS定义了头结点是表示占有该资源的线程（独占模式）。在共享模式下，则队列上的一系列结点都可以同时占有资源，对应于，唤醒的时候，这一些列线程都会被唤醒。

      回复
      1. 信言说道：
         2014年2月20日 下午4:34

         感谢楼主的回复。
         我查了源码，ReentrantLock.lock()调了内部类Sync的抽象方法lock，后者有一个公平和另一个不公平的实现。以不公平的实现NonfairSync（默认）为例，lock方法源码为：

         final void lock() {
         if (compareAndSetState(0, 1))//Try immediate barge
         setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
         else//backing up to normal acquire on failure.
         acquire(1);
         }
         如果cas操作成功，直接进入临界区（执行lock后续的代码）否则走常规流程调acquire()，
         acquire源码为：

         public final void acquire(int arg) {
         if (!tryAcquire(arg) &&
         acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
         selfInterrupt();
         }

         tryAcquire如果成功，返回true，if表达式短路就直接结束了。
         似乎没有源码能对应到包装成一个Node加入AQS队列？

         回复
         1. liuinsect说道：
            2014年2月22日 上午10:48

            如果tryAcquire 成功了，没有必要增加到AQS的等待队列中了， 反之，如果增加不成功，进入到acquireQueued方法中去，则会将当先现线程增加到AQS的等待队列中去的。

            回复
      2. 信言说道：
         2014年2月20日 下午5:03

         再看fullyRelease的源码（似乎没有出现结点从队列移除的代码）：

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

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

         再调用了tryRelease，如果成功，唤醒AQS队列的头结点让它尝试进入临界区（因此我理解的AQS队列上的每个结点都代表了一个正等待进入临界区而被block的线程）

         而tryRelease纯粹是状态值的操作，也不涉及出队列：
         protected final boolean tryRelease(int releases) {
         int c = getState() – releases;
         if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
         throw new IllegalMonitorStateException();
         boolean free = false;
         if (c == 0) {
         free = true;
         setExclusiveOwnerThread(null);
         }
         setState(c);
         return free;
         }

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         1. liuinsect说道：
            2014年2月20日 下午8:26

            unparkSuccessor 方法中有移除节点的方法:
            private void unparkSuccessor(Node node) {
            /*
            * If status is negative (i.e., possibly needing signal) try
            * to clear in anticipation of signalling. It is OK if this
            * fails or if status is changed by waiting thread.
            */
            int ws = node.waitStatus;
            if (ws < 0) compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0); /* * Thread to unpark is held in successor, which is normally * just the next node. But if cancelled or apparently null, * traverse backwards from tail to find the actual * non-cancelled successor. */ Node s = node.next; if (s == null || s.waitStatus > 0) {
            s = null;
            for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
            if (t.waitStatus <= 0) s = t; } if (s != null) LockSupport.unpark(s.thread); }

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