浅谈Java中的Condition条件队列，手摸手带你实现一个阻塞队列！

条件队列是什么？可能很多人和我一样答不出来，不过今天终于搞清楚了！

什么是条件队列

条件队列：当某个线程调用了wait方法，或者通过Condition对象调用了await相关方法，线程就会进入阻塞状态，并加入到对应条件队列中。

在等待唤醒机制相关文章中我们提到了条件队列，即当对象获取到同步锁之后，如果调用了wait方法，当前线程会进入到条件队列中，并释放锁。

synchronized(对象){ // 获取锁失败，线程会加入到同步队列中

	while(条件不满足){

		对象.wait();// 调用wait方法当前线程加入到条件队列中

	}

}

基于synchcronized的内置条件队列存在一些缺陷。每个内置锁都只能有一个相关联的条件队列，因而存在多个线程可能在同一个条件队列上等待不同的条件谓词，并且在最常见的加锁模式下公开条件队列对象。

Java中的锁的实现可以分为两种，一种是基于synchronized的隐式锁，它是基于JVM层面实现的；而另一种则是基于AQS框架在代码层面实现的锁，如ReentrantLock等，在进行并发控制过程中，很多情况下他们都可以相互替代。

其中同步队列和条件队列是AQS中两个比较核心的概念，它们是代码层面实现锁的关键。关于同步队列的内容，我们已经在图解AQS的设计与实现，手摸手带你实现一把互斥锁！中进行了详细的介绍。

与Object配合synchronized相比，基于AQS的Lock&Condition实现的等待唤醒模式更加灵活，支持多个条件队列，支持等待状态中不响应中断以及超时等待功能；其次就是基于AQS实现的条件队列是"肉眼可见"的，我们可以通过源代码进行debug，而synchronized则是完全隐式的。

同步队列和条件队列

与条件队列密不可分的类则是ConditionObject，是AQS中实现了Condition接口的内部类，通常配合基于AQS实现的锁一同使用。当线程获取到锁之后，可以调用await方法进入条件队列并释放锁，或者调用singinal方法唤醒对应条件队列中等待时间最久的线程并加入到等待队列中。

在AQS中，线程会被封装成Node对象加入队列中，而条件队列中则复用了同步队列中的Node对象。

Condition相关方法和描述

Condition接口一共定义了以下几个方法：

await(): 当前线程进入等待状态，直到被通知(siginal)或中断【和wait方法语义相同】。

awaitUninterruptibly(): 当前线程进入等待状态，直到被通知，对中断不敏感。

awaitNanos(long timeout): 当前线程进入等待状态直到被通知(siginal)，中断或超时。

awaitUnitil(Date deadTime): 当前线程进入等待状态直到被通知(siginal)，中断或到达某个时间。

signal(): 唤醒一个等待在Condition上的线程，该线程从等待方法返回前必须获得与Condition关联的锁【和notify方法语义相同】

signalAll(): 唤醒所有等待在Condition上的线程，能够从等待方法返回的线程必须获得与Condition关联的锁【和notifyAll方法语义相同】。

条件队列入队操作

当线程获取到锁之后，Condition对象调用await相关的方法，线程会进入到对应的条件队列中。

/**

  * 如果当前线程被终端，抛出 InterruptedException 异常

  */

public final void await() throws InterruptedException {

    if (Thread.interrupted())

        throw new InterruptedException();

    // 添加当前线程到【条件队列】

    Node node = addConditionWaiter();

    // 释放已经获取的锁资源，并返回释放前的同步状态

    int savedState = fullyRelease(node);

    int interruptMode = 0;

    // 如果当前节点不在【同步队列】中， 线程进入阻塞状态，等待被唤醒

    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);

}

条件队出队操作

Condition对象调用signal或者signalAll方法时，

/**

 * 将【条件队列】中第一个有效的元素移除并且添加到【同步队列】中

 * 所谓有效指的是非null，并且状态吗

 * @param first 条件队列中第一个非空的元素

 */

private void doSignal(Node first) {

    do {

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

            lastWaiter = null;

        first.nextWaiter = null;

    // 将条件队列中等待最久的那个有效元素添加到同步队列中

    } while (!transferForSignal(first) &&

             (first = firstWaiter) != null);

}

/**

 * 将条件队列中的节点转换到同步队列中

 */

final boolean transferForSignal(Node node) {

    /*

     * If cannot change waitStatus, the node has been cancelled.

     * 如果节点的等待状态不能被修改，说明当前线程已经被取消等待【多个线程执行siginal时会出现的情况】

     */

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

        return false;

    /*

     * 加入到【同步队列】中，并且尝试将前驱节点设置为可唤醒状态

     */

    Node p = enq(node); // 将node添加到同步队列中，并返回它的前驱节点

    int ws = p.waitStatus;

    // 如果前驱节点不需要唤醒，或者设置状态为‘唤醒’失败，则唤醒线程时期重新争夺同步状态

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

        LockSupport.unpark(node.thread);

    return true;

}

实现阻塞队列

自定义互斥锁升级，增加获取Condition对象接口。

/**

 * 自定义互斥锁

 *

 * @author cruder

 * @time 2019/11/29 9:43

 */

public class MutexLock {

    private static final Sync STATE_HOLDER = new Sync();

    /**

     * 通过Sync内部类来持有同步状态， 当状态为1表示锁被持有，0表示锁处于空闲状态

     */

    private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {

        /**

         * 是否被独占， 有两种表示方式

         *  1. 可以根据状态，state=1表示锁被占用，0表示空闲

         *  2. 可以根据当前独占锁的线程来判断，即getExclusiveOwnerThread()!=null 表示被独占

         */

        @Override

        protected boolean isHeldExclusively() {

            return getExclusiveOwnerThread() != null;

        }

        /**

         * 尝试获取锁，将状态从0修改为1，操作成功则将当前线程设置为当前独占锁的线程

         */

        @Override

        protected boolean tryAcquire(int arg) {

            if (compareAndSetState(0, 1)) {

                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());

                return true;

            }

            return false;

        }

        /**

         * 释放锁，将状态修改为0

         */

        @Override

        protected boolean tryRelease(int arg) {

            if (getState() == 0) {

                throw new UnsupportedOperationException();

            }

            setExclusiveOwnerThread(null);

            setState(0);

            return true;

        }

        //【新增代码】

        final ConditionObject newCondition() {

            return new ConditionObject();

        }

    }

    /**

     * 下面的实现Lock接口需要重写的方法，基本是就是调用内部内Sync的方法

     */

    public void lock() {

        STATE_HOLDER.acquire(1);

    }

    public void unlock() {

        STATE_HOLDER.release(1);

    }

    // 【新增代码】 获取条件队列

    public Condition newCondition(){

        return STATE_HOLDER.newCondition();

    }

}

基于自定义互斥锁，实现阻塞队列。阻塞队列具有两个特点：

添加元素到队列中, 如果队列已满会使得当前线程阻塞【加入到条件队列-队列不满】，直到队列不满为止
移除队列中的元素，当队列为空时会使当前线程阻塞【加入到条件队列-队列不空】，直到队列不为空为止

/**

 *  有界阻塞阻塞队列

 *

 * @author Jann Lee

 * @date 2019-12-11 22:20

 **/

public class BoundedBlockingQueue<T> {

    /**

     * list作为底层存储结构

     */

    private List<T> dataList;

    /**

     * 队列的大小

     */

    private int size;

    /**

     * 锁，和条件变量

     */

    private MutexLock lock;

    /**

     * 队列非空 条件变量

     */

    private Condition notEmpty;

    /**

     * 队列未满 条件变量

     */

    private Condition notFull;

    public BoundedBlockingQueue(int size) {

        dataList = new ArrayList<>();

        lock = new MutexLock();

        notEmpty = lock.newCondition();

        notFull = lock.newCondition();

        this.size = size;

    }

    /**

     * 队列中添加元素 [只有队列未满时才可以添加，否则需要等待队列变成未满状态]

     */

    public void add(T data) throws InterruptedException {

        lock.lock();

        try {

            // 如果队列已经满了， 需要在等待“队列未满”条件满足

            while (dataList.size() == size) {

                notFull.await();

            }

            dataList.add(data);

            Thread.sleep(2000);

            notEmpty.signal();

        } finally {

            lock.unlock();

        }

    }

    /**

     * 移除队列的第一个元素[只有队列非空才可以移除，否则需要等待变成队列非空状态]

     */

    public T remove() throws InterruptedException {

        lock.lock();

        try {

            // 如果为空， 需要在等待“队列非空”条件满足

            while (dataList.isEmpty()) {

                notEmpty.await();

            }

            T result = dataList.remove(0);

            notFull.signal();

            return result;

        } finally {

            lock.unlock();

        }

    }

}

总结

条件队列和同步队列在Java中有两种实现，synchronized关键字以及基于AQS
每个（基于synchronized的）内置锁都只能有一个相关联的条件队列，会存在多个线程可能在同一个条件队列上等待不同的条件谓词；而（基于AQS实现的）显式锁支持多个条件队列
与wait，notify，notifyAll 对应的方法时Conditoin接口中的await，signal，signalAll，他们具有相同的语义

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