入门AQS锁 - Condition与LockSupport

傷城~ 2022-06-11 05:55 187阅读 0赞

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在[第一章节][Link 1]中，我们已经初步接触了ReentrantLock独占锁与Condition接口，并且学习了ReentrantLock与Synchronized关键字的联系与区别，以及Condition接口中3个比较重要的方法的含义与用法。  
在本章节中，我们将对第一章节介绍的Condition接口进行更加深入的学习，从而理解由LockSupport提供的更为“先进”的线程间通信是如何在AQS锁中进行运用的。

## 运用Condition ##

经过前面的学习，我们已经了解了通过Condition对象能够实现唤醒“特定”阻塞线程的工作。下面是一个ReentrantLock与Condition构建的并发示例。通过这个示例来加深和巩固我们对唤醒“特定”阻塞线程的认识。

import java.util.concurrent.ExecutorService; import java.util.concurrent.Executors; import java.util.concurrent.locks.Condition; import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; public class ConditionDemo { // 获取独占锁 private ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); // 获取条件1 private Condition cd1 = lock.newCondition(); // 获取条件2 private Condition cd2 = lock.newCondition(); // 获取条件3 private Condition cd3 = lock.newCondition(); public static void main(String[] args) throws InterruptedException { ConditionDemo demo = new ConditionDemo(); ExecutorService es = Executors.newCachedThreadPool(); Thread1 tr1 = demo.new Thread1(); Thread2 tr2 = demo.new Thread2(); Thread3 tr3 = demo.new Thread3(); // 启动线程任务123. es.execute(tr1); es.execute(tr2); es.execute(tr3); Thread.sleep(2000); // 依次唤醒各线程任务. signalTest(demo); es.shutdown(); } // 依次唤醒各线程任务,以观察condition的作用 public static void signalTest(ConditionDemo demo) throws InterruptedException { // 获取独占锁 唤醒cd1的线程 demo.lock.lock(); demo.cd1.signal(); // 释放独占锁 等待thread1执行完毕. demo.lock.unlock(); Thread.sleep(2000); // 获取独占锁 唤醒cd2的线程 demo.lock.lock(); demo.cd2.signal(); // 释放独占锁 等待thread2执行完毕. demo.lock.unlock(); Thread.sleep(2000); // 获取独占锁 唤醒cd3的线程 demo.lock.lock(); demo.cd3.signal(); // 释放独占锁 等待thread2执行完毕. demo.lock.unlock(); Thread.sleep(2000); } // 线程任务定义类 public class Thread1 implements Runnable { public Thread1() { } @Override public void run() { try { // 设置线程名称 Thread.currentThread().setName(Thread1.class.getSimpleName()); System.out.printf("%s线程启动\n", Thread.currentThread().getName()); lock.lock(); // 在cd1上阻塞，并且释放独占锁lock. cd1.await(); System.out.printf("%s线程被唤醒\n", Thread.currentThread().getName()); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } finally { lock.unlock(); } } } public class Thread2 implements Runnable { public Thread2() { } @Override public void run() { try { Thread.currentThread().setName(Thread2.class.getSimpleName()); System.out.printf("%s线程启动\n", Thread.currentThread().getName()); lock.lock(); // 在cd2上阻塞，并且释放独占锁lock. cd2.await(); System.out.printf("%s线程被唤醒\n", Thread.currentThread().getName()); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } finally { lock.unlock(); } } } public class Thread3 implements Runnable { public Thread3() { } @Override public void run() { try { Thread.currentThread().setName(Thread3.class.getSimpleName()); System.out.printf("%s线程启动\n", Thread.currentThread().getName()); lock.lock(); // 在cd3上阻塞，并且释放独占锁lock. cd3.await(); System.out.printf("%s线程被唤醒\n", Thread.currentThread().getName()); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } finally { lock.unlock(); } } } } ------------ Thread2线程启动 Thread1线程启动 Thread3线程启动 Thread1线程被唤醒 Thread2线程被唤醒 Thread3线程被唤醒

上例中，3个不同的线程在3个不同的Condition对象上阻塞。然后逐一被唤醒。线程之间的通信互相独立，互不干扰。  
可见，使用Condition对象，线程的同步操作，是以“线程”为单位的。而Sychronized，Object.wait()，Object.notify()则是以监视器（锁）为单位对线程进行同步操作的。

那么，Condition是如何做到以线程为单位，对线程进行同步操作的呢？要弄明白这个问题，就需要引入下面的LockSupport的相关知识了。

## Condition与LockSupport ##

在上面的例子中，我们利用Condition.await()对线程进行了阻塞操作。接下来我们通过源码来分析await()到底做了哪些事情。

// AQS锁共通父类。本类是公平锁与非公平锁的共通父类。 public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable { private static final long serialVersionUID = 7373984972572414691L; ..... ... .. . // 定义在AQS锁中的内部类ConditionObject。 public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable { private static final long serialVersionUID = 1173984872572414699L; /** First node of condition queue. */ private transient Node firstWaiter; /** Last node of condition queue. */ private transient Node lastWaiter; /** * Creates a new <tt>ConditionObject</tt> instance. */ public ConditionObject() { } // Internal methods .... ... .. . // 调用Condition对象的await()方法 public final void await() throws InterruptedException { if (Thread.interrupted()) throw new InterruptedException(); // 将该线程包装成node加入condition等待队列 Node node = addConditionWaiter(); // 释放当前线程锁。并设置锁拥有者为空，并且唤醒AQS队列中的head节点线程的下一个线程 int savedState = fullyRelease(node); int interruptMode = 0; // 判断当前线程是否在AQSCLH队列。若不在，则线程阻塞 while (!isOnSyncQueue(node)) { // 调用LockSupport类的park方法对线程进行阻塞。park方法为native实现的非开源方法。本篇文章不作深究 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) // clean up if cancelled unlinkCancelledWaiters(); if (interruptMode != 0) reportInterruptAfterWait(interruptMode); } } /** * Adds a new waiter to wait queue. * @return its new wait node */ private Node addConditionWaiter() { Node t = lastWaiter; // If lastWaiter is cancelled, clean out. if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) { unlinkCancelledWaiters(); t = lastWaiter; } // 线程包装为node对象 Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION); // 将当前线程包装为node，添加到等待队列并且设置为firstWaiter if (t == null) firstWaiter = node; else // 将node添加到等待队列并且设置为lastWaiter t.nextWaiter = node; lastWaiter = node; return node; }

经过分析与整理，我们将await()方法实现的处理归纳为以下4条。  
\*\*1. ConditionObject对象也维护了一个条件队列。

1.  每当在某个ConditionObject对象上调用await()方法时，会将当前线程封装为node，添加到ConditionObject维护的条件队列中。
2.  当前线程释放掉持有的线程锁，并且唤醒AQS维护的CLH队列中的有效的head线程节点的下一个节点。(若AQS存在的话)注意，若该线程之前由于尝试获取锁失败，而进入了CLH队列的话，那么此时调用await()，释放掉锁后该线程节点就失去了它在CLH队列中的位置。唤醒线程（unparkSuccessor方法）将会重置队列head。
3.  遍历AQS队列，判断当前线程节点是否处于AQS队列中。若不处于队列中，则调用LockSupport.park()阻塞当前线程。\*\*

现在，可能你会对第四条处理感到疑惑。不用着急，当分析完singnal方法的具体实现细节以后，你的疑惑将得到解决。  
定义在ConditionObject中的signal方法的源码如下：

public final void signal() { if (!isHeldExclusively()) throw new IllegalMonitorStateException(); // 获取节点中的firstWaiter Node first = firstWaiter; if (first != null) doSignal(first); } private void doSignal(Node first) { do { // 修改Condition条件等待队列中的头结点，移除旧节点 if ((firstWaiter = first.nextWaiter) == null) lastWaiter = null; first.nextWaiter = null; } while (!transferForSignal(first) && // 将唤醒的Condition头节点，加入到AQS队列中 (first = firstWaiter) != null); } // 将条件等待队列中的线程节点，加入到AQSCLH队列中排队。 final boolean transferForSignal(Node node) { /* * If cannot change waitStatus, the node has been cancelled. */ if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0)) return false; // 将被唤醒的Condition节点中的线程加入到AQSCLH队列中。若没有AQS队列，则新建队列再加入。 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; }

经过分析与整理，我们将signal()方法实现的处理归纳为以下2条。  
\*\*1. 将条件等待队列中的头节点移除，队列firstWaiter指向下一位节点对象。

1.  将取得的头节点对象(firstWaiter)，加入到AQS锁的CLH队列尾部。此操作的理由为：“保持公平锁，非公平锁的CLH队列的FIFO原则性”。\*\*

无论是公平或非公平锁，一旦线程主动调用await()阻塞后，它就失去了在队列中的位置。当线程被唤醒时，该线程必须按照FIFO原则进行重新排队。也就是说，即使是非公平锁的线程，在被唤醒后，也需按照FIFO原则，等到前面的节点都处理完成后，自己才能被唤醒从而进入就绪状态。

现在，你是否理解了之前await()方法中的第四条处理的原因了？  
当第一次调用await()对线程进行阻塞时，当前线程会首先调用park()进入阻塞，并且加入到条件等待队列中。当某个线程调用此Condition对象的signal时，等待队列中的firstWaiter(第一个阻塞对象)会被加入到AQS锁的CLH队列中。  
注意，由于新获取到锁，调用await()的外部线程与本身处在CLH队列，由于某个线程释放锁，而被唤醒的阻塞线程，都有可能执行!isOnSyncQueue(node)判断。  
所以，!isOnSyncQueue(node)就是用来判断当前线程是否在CLH队列，来确定当前线程是被唤醒的线程，还是获取到锁的外部线程的。

## 总结 ##

1.  Condition接口中的await与signal默认是通过AQS类中的内部类ConditionObject实现的。每一个ConditionObject对象都维护了一个单独的等待队列，注意这个队列跟AQS所维护的CLH队列是两个完全不同的队列。
2.  AQS维护的CLH队列是用来对竞争锁的线程进行管理的队列。而CondtionObject维护的队列，则是用来对调用了await()方法进入阻塞状态的线程进行管理的队列。
3.  调用了await()方法的线程，会被加入到conditionObject等待队列中，并且唤醒当前AQS的CLH队列中head节点(也就是当前执行中的线程节点)的下一个节点。而线程在某个ConditionObject对象上调用了singnal()方法后，等待队列中的firstWaiter会被加入到AQS的CLH队列中，等待被唤醒。当线程调用unLock()方法释放锁时，CLH队列中的head节点的下一个节点(在本例中是firtWaiter)，会被唤醒。
4.  综上所述，在ConditionObject()上调用await()进入阻塞的线程，其被唤醒的顺序一定和进入阻塞的顺序相同。(非公平锁的情况下，需满足没有外部线程和CLH队列中的线程同时竞争锁这个条件)

作者：给你添麻烦了  
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