JUC.Condition学习笔记

目录

Condition的概念

大体实现流程

　　I.初始化状态

　　II.await()*作

　　III.signal()*作

3个主要方法

　　Condition的数据结构

　　线程何时阻塞和释放

　　await()方法

　　signal()和signalAll()方法

Condition示例：生产者和消费者

JUC提供了Lock可以方便的进行锁*作，但是有时候我们也需要对线程进行条件*的阻塞和唤醒，这时我们就需要condition条件变量，它就像是在线程上加了多个开关，可以方便的对持有锁的线程进行阻塞和唤醒。

Condition的概念

Condition主要是为了在J.U.C框架中提供和Java传统的监视器风格的wait，notify和notifyAll方法类似的功能。

 

JDK的官方解释如下：

条件（也称为条件队列 或条件变量）为线程提供了一个含义，以便在某个状态条件现在可能为 true 的另一个线程通知它之前，一直挂起该线程（即让其“等待”）。因为访问此共享状态信息发生在不同的线程中，所以它必须受保护，因此要将某种形式的锁与该条件相关联。等待提供一个条件的主要属*是：以原子方式 释放相关的锁，并挂起当前线程，就像 Object.wait 做的那样。

Condition实质上是被绑定到一个锁上。

 

在JUC锁机制(Lock)学习笔记中，我们了解到AQS有一个队列，同样Condition也有一个等待队列，两者是相对独立的队列，因此一个Lock可以有多个Condition，Lock(AQS)的队列主要是阻塞线程的，而Condition的队列也是阻塞线程，但是它是有阻塞和通知解除阻塞的功能
Condition阻塞时会释放Lock的锁，阻塞流程请看下面的Condition的await()方法。

大体实现流程

AQS等待队列与Condition队列是两个相互独立的队列
await()就是在当前线程持有锁的基础上释放锁资源，并新建Condition节点加入到Condition的队列尾部，阻塞当前线程

signal()就是将Condition的头节点移动到AQS等待节点尾部，让其等待再次获取锁

 

以下是AQS队列和Condition队列的出入结点的示意图，可以通过这几张图看出线程结点在两个队列中的出入关系和条件。

 

I.初始化状态：AQS等待队列有3个Node，Condition队列有1个Node(也有可能1个都没有)

II.节点1执行Condition.await()

1.将head后移

2.释放节点1的锁并从AQS等待队列中移除

3.将节点1加入到Condition的等待队列中

4.更新lastWaiter为节点1

III.节点2执行signal()*作

5.将firstWaiter后移

6.将节点4移出Condition队列

7.将节点4加入到AQS的等待队列中去

8.更新AQS的等待队列的tail

3个主要方法

Condition的数据结构

我们知道一个Condition可以在多个地方被await()，那么就需要一个FIFO的结构将这些Condition串联起来，然后根据需要唤醒一个或者多个（通常是所有）。所以在Condition内部就需要一个FIFO的队列。

private transient Node firstWaiter;

private transient Node lastWaiter;

上面的两个节点就是描述一个FIFO的队列。我们再结合前面提到的节点（Node）数据结构。我们就发现Node.nextWaiter就派上用场了！nextWaiter就是将一系列的Condition.await*串联起来组成一个FIFO的队列。

线程何时阻塞和释放

阻塞：await()方法中，在线程释放锁资源之后，如果节点不在AQS等待队列，则阻塞当前线程，如果在等待队列，则自旋等待尝试获取锁

释放：signal()后，节点会从condition队列移动到AQS等待队列，则进入正常锁的获取流程

await方法

ReentrantLock是独占锁，一个线程拿到锁后如果不释放，那么另外一个线程肯定是拿不到锁，所以在lock.lock()和lock.unlock()之间可能有一次释放锁的*作（同样也必然还有一次获取锁的*作）。在进入lock.lock()后唯一可能释放锁的*作就是await()了。也就是说await()*作实际上就是释放锁，然后挂起线程，一旦条件满足就被唤醒，再次获取锁！

 

 Java Code 

  

public final void await() throws InterruptedException {

    // 1.如果当前线程被中断，则抛出中断异常

    if (Thread.interrupted())

        throw new InterruptedException();

    // 2.将节点加入到Condition队列中去，这里如果lastWaiter是cancel状态，那么会把它踢出Condition队列。

    Node node = addConditionWaiter();

    // 3.调用tryRelease，释放当前线程的锁

    long savedState = fullyRelease(node);

    int interruptMode = 0;

    // 4.为什么会有在AQS的等待队列的判断？

    // 解答：signal*作会将Node从Condition队列中拿出并且放入到等待队列中去，在不在AQS等待队列就看signal是否执行了

    // 如果不在AQS等待队列中，就park当前线程，如果在，就退出循环，这个时候如果被中断，那么就退出循环

    while (!isOnSyncQueue(node)) {

        LockSupport.park(this);

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

            break;

    }

    // 5.这个时候线程已经被signal()或者signalAll()*作给唤醒了，退出了4中的while循环

    // 自旋等待尝试再次获取锁，调用acquireQueued方法

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

        interruptMode = REINTERRUPT;

    if (node.nextWaiter != null)

        unlinkCancelledWaiters();

    if (interruptMode != 0)

        reportInterruptAfterWait(interruptMode);

}

 

整个await的过程如下：

　　1.将当前线程加入Condition锁队列。特别说明的是，这里不同于AQS的队列，这里进入的是Condition的FIFO队列。进行2。

　　2.释放锁。这里可以看到将锁释放了，否则别的线程就无法拿到锁而发生死锁。进行3。

　　3.自旋(while)挂起，直到被唤醒或者超时或者CACELLED等。进行4。

　　4.获取锁(acquireQueued)。并将自己从Condition的FIFO队列中释放，表明自己不再需要锁（我已经拿到锁了）。

可以看到，这个await的*作过程和Object.wait()方法是一样，只不过await()采用了Condition队列的方式实现了Object.wait()的功能。

signal和signalAll方法

await*()清楚了，现在再来看signal/signalAll就容易多了。按照signal/signalAll的需求，就是要将Condition.await*()中FIFO队列中第一个Node唤醒（或者全部Node）唤醒。尽管所有Node可能都被唤醒，但是要知道的是仍然只有一个线程能够拿到锁，其它没有拿到锁的线程仍然需要自旋等待，就上上面提到的第4步(acquireQueued)。

Java Code 

  

public final void signal() {

    if (!isHeldExclusively())

        throw new IllegalMonitorStateException();

    Node first = firstWaiter;

    if (first != null)

        doSignal(first);

}

这里先判断当前线程是否持有锁，如果没有持有，则抛出异常，然后判断整个condition队列是否为空，不为空则调用doSignal方法来唤醒线程，看看doSignal方法都干了一些什么：

 Java Code 

  

private void doSignal(Node first) {

    do {

        if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)

            lastWaiter = null;

        first.nextWaiter = null;

    } while (!transferForSignal(first) &&

             (first = firstWaiter) != null);

}

上面的代*很容易看出来，signal就是唤醒Condition队列中的第一个非CANCELLED节点线程，而signalAll就是唤醒所有非CANCELLED节点线程。当然了遇到CANCELLED线程就需要将其从FIFO队列中剔除。

 

 Java Code 

  

final boolean transferForSignal(Node node) {

    /*

     * 设置node的waitStatus：Condition->0

     */

    if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))

        return false;

/*

     * 加入到AQS的等待队列，让节点继续获取锁

     * 设置前置节点状态为SIGNAL

     */

    Node p = enq(node);

    int c = p.waitStatus;

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

        LockSupport.unpark(node.thread);

    return true;

}

 

上面就是唤醒一个await*()线程的过程，根据前面的介绍，如果要unpark线程，并使线程拿到锁，那么就需要线程节点进入AQS的队列。所以可以看到在LockSupport.unpark之前调用了enq(node)*作，将当前节点加入到AQS队列。

 

signalAll和signal方法类似，主要的不同在于它不是调用doSignal方法，而是调用doSignalAll方法：

 Java Code 

  

private void doSignalAll(Node first) {

    lastWaiter = firstWaiter  = null;

    do {

        Node next = first.nextWaiter;

        first.nextWaiter = null;

        transferForSignal(first);

        first = next;

    } while (first != null);

}

这个方法就相当于把Condition队列中的所有Node全部取出插入到等待队列中去。

Condition应用示例：生产者和消费者

Condition 实例实质上被绑定到一个锁上。要为特定 Lock 实例获得 Condition 实例，请使用其 newCondition() 方法。在最后我们来看一个应用示例

 Java Code 

  

/**

 * 生产者、消费者示例

 */

public class ConditionTest {

    private int storage;

    private int putCounter;

    private int getCounter;

    private Lock lock = new ReentrantLock();

    private Condition putCondition = lock.newCondition();

    private Condition getCondition = lock.newCondition();

public void put() throws InterruptedException {

        try {

            lock.lock();

            if (storage > 0) {

                putCondition.await();

            }

            storage++;

            System.out.println("put => " + ++putCounter );

            getCondition.signal();

        } finally {

            lock.unlock();

        }

    }

public void get() throws InterruptedException {

        try {

            lock.lock();

            lock.lock();

            if (storage <= 0) {

                getCondition.await();

            }

            storage--;

            System.out.println("get  => " + ++getCounter);

            putCondition.signal();

        } finally {

            lock.unlock();

            lock.unlock();

        }

    }

public class PutThread extends Thread {

        @Override

        public void run() {

            for (int i = 0; i < 100; i++) {

                try {

                    put();

                } catch (InterruptedException e) {

                }

            }

        }

    }

public class GetThread extends Thread {

        @Override

        public void run() {

            for (int i = 0; i < 100; i++) {

                try {

                    get();

                } catch (InterruptedException e) {

                }

            }

        }

    }

public static void main(String[] args) {

        final ConditionTest test = new ConditionTest();

        Thread put = test.new PutThread();

        Thread get = test.new GetThread();

        put.start();

        get.start();

    }