深入浅出 Java Concurrency (9): 锁机制 part 4 锁释放与条件变量 (Lock.unlock And Condition)

本小节介绍锁释放Lock.unlock()。

Release/TryRelease

unlock操作实际上就调用了AQS的release操作，释放持有的锁。

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

前面提到过tryRelease(arg)操作，此操作里面总是尝试去释放锁，如果成功，说明锁确实被当前线程持有，那么就看AQS队列中的头结点是否为空并且能否被唤醒，如果可以的话就唤醒继任节点（下一个非CANCELLED节点，下面会具体分析）。

对于独占锁而言，java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.Sync.tryRelease(int)展示了如何尝试释放锁(tryRelease)操作。

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;
}

整个tryRelease操作是这样的：

1. 判断持有锁的线程是否是当前线程，如果不是就抛出IllegalMonitorStateExeception()，因为一个线程是不能释放另一个线程持有的锁（否则锁就失去了意义）。否则进行2。
2. 将AQS状态位减少要释放的次数（对于独占锁而言总是1），如果剩余的状态位0（也就是没有线程持有锁），那么当前线程就是最后一个持有锁的线程，清空AQS持有锁的独占线程。进行3。
3. 将剩余的状态位写回AQS，如果没有线程持有锁就返回true，否则就是false。

参考上一节的分析就可以知道，这里c==0决定了是否完全释放了锁。由于ReentrantLock是可重入锁，因此同一个线程可能多重持有锁，那么当且仅当最后一个持有锁的线程释放锁是才能将AQS中持有锁的独占线程清空，这样接下来的操作才需要唤醒下一个需要锁的AQS节点（Node），否则就只是减少锁持有的计数器，并不能改变其他操作。

当tryRelease操作成功后（也就是完全释放了锁），release操作才能检查是否需要唤醒下一个继任节点。这里的前提是AQS队列的头结点需要锁(waitStatus!=0)，如果头结点需要锁，就开始检测下一个继任节点是否需要锁操作。

在上一节中说道acquireQueued操作完成后（拿到了锁），会将当前持有锁的节点设为头结点，所以一旦头结点释放锁，那么就需要寻找头结点的下一个需要锁的继任节点，并唤醒它。

private void unparkSuccessor(Node node) {
        //此时node是需要是需要释放锁的头结点

//清空头结点的waitStatus，也就是不再需要锁了
        compareAndSetWaitStatus(node, Node.SIGNAL, 0);

//从头结点的下一个节点开始寻找继任节点，当且仅当继任节点的waitStatus<=0才是有效继任节点，否则将这些waitStatus>0（也就是CANCELLED的节点）从AQS队列中剔除  
       //这里并没有从head->tail开始寻找，而是从tail->head寻找最后一个有效节点。
       //解释在这里 http://www.blogjava.net/xylz/archive/2010/07/08/325540.html#377512

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;
        }

//如果找到一个有效的继任节点，就唤醒此节点线程
        if (s != null)
            LockSupport.unpark(s.thread);
    }

这里再一次把acquireQueued的过程找出来。对比unparkSuccessor，一旦头节点的继任节点被唤醒，那么继任节点就会尝试去获取锁（在acquireQueued中node就是有效的继任节点，p就是唤醒它的头结点），如果成功就会将头结点设置为自身，并且将头结点的前任节点清空，这样前任节点（已经过时了）就可以被GC释放了。

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                return interrupted;
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } catch (RuntimeException ex) {
        cancelAcquire(node);
        throw ex;
    }
}

在setHead中，将头结点的前任节点清空并且将头结点的线程清空就是为了更好的GC，防止内存泄露。

private void setHead(Node node) {
    head = node;
    node.thread = null;
    node.prev = null;
}

对比lock()操作，unlock()操作还是比较简单的，主要就是释放响应的资源，并且唤醒AQS队列中有效的继任节点。这样所就按照请求的顺序去尝试获取锁了。

整个lock()/unlock()过程完成了，我们再回头看公平锁(FairSync)和非公平锁(NonfairSync)。

公平锁和非公平锁只是在获取锁的时候有差别，其它都是一样的。

final void lock() {
    if (compareAndSetState(0, 1))
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
        acquire(1);
}

在上面非公平锁的代码中总是优先尝试当前是否有线程持有锁，一旦没有任何线程持有锁，那么非公平锁就霸道的尝试将锁“占为己有”。如果在抢占锁的时候失败就和公平锁一样老老实实的去排队。

也即是说公平锁和非公平锁只是在入AQS的CLH队列之前有所差别，一旦进入了队列，所有线程都是按照队列中先来后到的顺序请求锁。

Condition

条件变量很大一个程度上是为了解决Object.wait/notify/notifyAll难以使用的问题。

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性是：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。

上述API说明表明条件变量需要与锁绑定，而且多个Condition需要绑定到同一锁上。前面的Lock中提到，获取一个条件变量的方法是Lock.newCondition()。

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();

以上是Condition接口定义的方法，await*对应于Object.wait，signal对应于Object.notify，signalAll对应于Object.notifyAll。特别说明的是Condition的接口改变名称就是为了避免与Object中的wait/notify/notifyAll的语义和使用上混淆，因为Condition同样有wait/notify/notifyAll方法。

每一个Lock可以有任意数据的Condition对象，Condition是与Lock绑定的，所以就有Lock的公平性特性：如果是公平锁，线程为按照FIFO的顺序从Condition.await中释放，如果是非公平锁，那么后续的锁竞争就不保证FIFO顺序了。

一个使用Condition实现生产者消费者的模型例子如下。

package xylz.study.concurrency.lock;

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ProductQueue<T> {

private final T[] items;

private final Lock lock = new ReentrantLock();

private Condition notFull = lock.newCondition();

private Condition notEmpty = lock.newCondition();

//
    private int head, tail, count;

public ProductQueue(int maxSize) {
        items = (T[]) new Object[maxSize];
    }

public ProductQueue() {
        this(10);
    }

public void put(T t) throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (count == getCapacity()) {
                notFull.await();
            }
            items[tail] = t;
            if (++tail == getCapacity()) {
                tail = 0;
            }
            ++count;
            notEmpty.signalAll();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

public T take() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (count == 0) {
                notEmpty.await();
            }
            T ret = items[head];
            items[head] = null;//GC
            //
            if (++head == getCapacity()) {
                head = 0;
            }
            --count;
            notFull.signalAll();
            return ret;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

public int getCapacity() {
        return items.length;
    }

public int size() {
        lock.lock();
        try {
            return count;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

}

在这个例子中消费take()需要 队列不为空，如果为空就挂起（await()），直到收到notEmpty的信号；生产put()需要队列不满，如果满了就挂起（await()），直到收到notFull的信号。

可能有人会问题，如果一个线程lock()对象后被挂起还没有unlock，那么另外一个线程就拿不到锁了（lock()操作会挂起），那么就无法通知(notify)前一个线程，这样岂不是“死锁”了？

await* 操作

上一节中说过多次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操作（同样也必然还有一次获取锁的操作）。我们再回头看代码，不管take()还是put()，在进入lock.lock()后唯一可能释放锁的操作就是await()了。也就是说await()操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！

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)
        unlinkCancelledWaiters();
    if (interruptMode != 0)
        reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}

上面是await()的代码片段。上一节中说过，AQS在获取锁的时候需要有一个CHL的FIFO队列，所以对于一个Condition.await()而言，如果释放了锁，要想再一次获取锁那么就需要进入队列，等待被通知获取锁。完整的await()操作是安装如下步骤进行的：

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。后面会具体谈到此结构。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）。

这里再回头介绍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。

signal/signalAll 操作

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)。

private void doSignal(Node first) {
    do {
        if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
            lastWaiter = null;
        first.nextWaiter = null;
    } while (!transferForSignal(first) &&
             (first = firstWaiter) != null);
}

private void doSignalAll(Node first) {
    lastWaiter = firstWaiter  = null;
    do {
        Node next = first.nextWaiter;
        first.nextWaiter = null;
        transferForSignal(first);
        first = next;
    } while (first != null);
}

上面的代码很容易看出来，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。

final boolean transferForSignal(Node node) {
    if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
        return false;

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，根据前面的小节介绍的，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)操作，将当前节点加入到AQS队列。

整个锁机制的原理就介绍完了，从下一节开始就进入了锁机制的应用了。