Java多线程Condition接口原理详解

阳光穿透心脏的1/2处 2023-01-01 13:57 152阅读 0赞

Condition接口提供了类似Object的监视器方法，与Lock配合可以实现等待/通知模式，但是这两者在使用方式以及功能特性上还是有差别的  
![这里写图片描述][SouthEast]

# Condition接口详解 #

Condition定义了等待/通知两种类型的方法，当前线程调用这些方法时，需要提前获取到Condition对象关联的锁。Condition对象是由Lock对象（调用Lock对象的newCondition()方法）创建出来的，换句话说，Condition是依赖Lock对象的。

Lock lock = new ReentrantLock();
        Condition condition = lock.newCondition();
        public void conditionWait() throws InterruptedException {
            lock.lock();
            try {
                condition.await();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
        public void conditionSignal() throws InterruptedException {
            lock.lock();
            try {
                condition.signal();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }

一般都会将Condition对象作为成员变量。当调用await()方法后，当前线程会释放锁并在此等待，而其他线程调用Condition对象的signal()方法，通知当前线程后，当前线程才从await()方法返回，并且在返回前已经获取了锁。

/**
         * 当前线程进入等待状态直到被通知(signal)或中断，当前线程进入后台运行状态且从await()方法返回
         * 其他线程调用该Condition的signal或者signalAll方法，而当前线程被选中唤醒
         * 1、其他线程（interrupt）中断当前线程
         * 2、如果当前等待线程从await方法返回，那么表明当前线程已经获取了Condition对象的锁
         */
        void await() throws InterruptedException;
    
        /**
         * 当前线程进入等待状态直到被通知，对中断不响应
         */
        void awaitUninterruptibly();
    
        /**
         *  <pre> {@code
         * boolean aMethod(long timeout, TimeUnit unit) {
         *   long nanos = unit.toNanos(timeout);
         *   lock.lock();
         *   try {
         *     while (!conditionBeingWaitedFor()) {
         *       if (nanos <= 0L)
         *         return false;
         *       nanos = theCondition.awaitNanos(nanos);
         *     }
         *     // ...
         *   } finally {
         *     lock.unlock();
         *   }
         * }}</pre>
         * 当前线程进入等待状态直到被通知、中断或超时。返回值表示剩余时间，如果在nanosTimeout纳秒之前被唤醒，那么返回值就是nanosTimeout-实际耗时
         * 返回值<=0说明超时
         * 
         */
        long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;
    
        /**
         * 当前线程进入等待状态直到被通知、中断或超时，如果没有到指定时间被通知返回true，否则返回false
         */
        boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    
        /**
         * 唤醒一个等待在Condition上的线程，该线程从等待方法返回之前必须获得与Condition相关联的锁
         */
        void signal();

获取一个Condition必须通过Lock的newCondition()方法。下面通过一个有界队列的示例来深入了解Condition的使用方式。有界队列是一种特殊的队列，当队列为空时，队列的获取操作将会阻塞获取线程，直到队列中有新增元素，当队列已满时，队列的插入操作将会阻塞插入线程，直到队列出现“空位”

public class BoundedQueue<T> {
        private Object[] items;
    
        // 添加的下标，删除的下标和数组当前数量
        private int addIndex,removeIndex,count;
    
        private Lock lock = new ReentrantLock();
    
        private Condition notEmpty = lock.newCondition();
    
        private Condition notFull = lock.newCondition();
    
        public BoundedQueue(int size){
            items = new Object[size];
        }
    
        /**
         * 添加一个元素，如果数组满，则添加线程进入等待状态，直到有"空位"
         * @author fuyuwei
         * 2017年5月21日 下午6:14:55
         * @param t
         * @throws InterruptedException
         */
        public void add(T t) throws InterruptedException{
            lock.lock();
            try{
                while(count == items.length){
                    notFull.await();
                }
                items[addIndex] = t;
                if(++addIndex == items.length)
                    addIndex = 0;
                ++count;
                notEmpty.signal();
            }finally{
                lock.unlock();
            }
        }
    
        /**
         * 由头部删除一个元素，如果数组空，则删除线程进入等待状态，直到有新添加元素
         * @author fuyuwei
         * 2017年5月21日 下午6:20:54
         * @return
         * @throws InterruptedException
         */
        @SuppressWarnings("unchecked")
        public T remove() throws InterruptedException{
            lock.lock();
            try{
                while(count == 0)
                    notEmpty.await();
                Object x = items[removeIndex];
                if(++removeIndex == items.length)
                    removeIndex = 0;
                --count;
                notFull.signal();
                return (T)x;
            }finally{
                lock.unlock();
            }
        }
    }

首先需要获得锁，目的是确保数组修改的可见性和排他性。当数组数量等于数组长度时，表示数组已满，则调用notFull.await()，当前线程随之释放锁并进入等待状态。如果数组数量不等于数组长度，表示数组未满，则添加元素到数组中，同时通知等待在notEmpty上的线程，数组中已经有新元素可以获取。在添加和删除方法中使用while循环而非if判断，目的是防止过早或意外的通知，只有条件符合才能够退出循环。回想之前提到的等待/通知的经典范式，二者是非常类似的

# Condition原理分析 #

ConditionObject是同步器AbstractQueuedSynchronizer的内部类，因为Condition的操作需要获取相关联的锁，所以作为同步器的内部类也较为合理。每个Condition对象都包含着一个队列，该队列是Condition对象实现等待/通知功能的关键。下面将分析Condition的实现，主要包括：等待队列、等待和通知

## 等待队列 ##

等待队列是一个FIFO的队列，在队列中的每个节点都包含了一个线程引用，该线程就是在Condition对象上等待的线程，如果一个线程调用了Condition.await()方法，那么该线程将会释放锁、构造成节点加入等待队列并进入等待状态  
一个Condition包含一个等待队列，Condition拥有首节点（firstWaiter）和尾节点（lastWaiter）。当前线程调用Condition.await()方法，将会以当前线程构造节点，并将节点从尾部加入等待队列，等待队列的基本结构如下图所示  
![这里写图片描述][SouthEast 1]  
如图所示，Condition拥有首尾节点的引用，而新增节点只需要将原有的尾节点nextWaiter指向它，并且更新尾节点即可。上述节点引用更新的过程并没有使用CAS保证，原因在于调用await()方法的线程必定是获取了锁的线程，也就是说该过程是由锁来保证线程安全的。在Object的监视器模型上，一个对象拥有一个同步队列和等待队列，而并发包中的Lock（更确切地说是同步器）拥有一个同步队列和多个等待队列，其对应关系如下图所示  
![这里写图片描述][SouthEast 2]

## 等待 ##

调用Condition的await()方法（或者以await开头的方法），会使当前线程进入等待队列并释放锁，同时线程状态变为等待状态。当从await()方法返回时，当前线程一定获取了Condition相关联的锁。如果从队列（同步队列和等待队列）的角度看await()方法，当调用await()方法时，相当于同步队列的首节点（获取了锁的节点）移动到Condition的等待队列中

public final void await() throws InterruptedException {
            if (Thread.interrupted())
                throw new InterruptedException();
            // 当前线程加入等待队列
            Node node = addConditionWaiter();
            // 释放同步状态，也就是释放锁
            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);
        }

调用该方法的线程成功获取了锁的线程，也就是同步队列中的首节点，该方法会将当前线程构造成节点并加入等待队列中，然后释放同步状态，唤醒同步队列中的后继节点，然后当前线程会进入等待状态。当等待队列中的节点被唤醒，则唤醒节点的线程开始尝试获取同步状态。如果不是通过其他线程调用Condition.signal()方法唤醒，而是对等待线程进行中断，则会抛出InterruptedException

## 通知 ##

调用Condition的signal()方法，将会唤醒在等待队列中等待时间最长的节点（首节点），在唤醒节点之前，会将节点移到同步队列中  
![这里写图片描述][SouthEast 3]

public final void signal() {
            if (!isHeldExclusively())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            Node first = firstWaiter;
            if (first != null)
                doSignal(first);
        }

调用该方法的前置条件是当前线程必须获取了锁，可以看到signal()方法进行了isHeldExclusively()检查，也就是当前线程必须是获取了锁的线程。接着获取等待队列的首节点，将其移动到同步队列并使用LockSupport唤醒节点中的线程  
节点从等待队列移动到同步队列的过程如下图所示  
![这里写图片描述][SouthEast 4]  
通过调用同步器的enq(Node node)方法，等待队列中的头节点线程安全地移动到同步队列。当节点移动到同步队列后，当前线程再使用LockSupport唤醒该节点的线程。被唤醒后的线程，将从await()方法中的while循环中退出（isOnSyncQueue(Node node)方法返回true，节点已经在同步队列中），进而调用同步器的acquireQueued()方法加入到获取同步状态的竞争中。成功获取同步状态（或者说锁）之后，被唤醒的线程将从先前调用的await()方法返回，此时该线程已经成功地获取了锁。Condition的signalAll()方法，相当于对等待队列中的每个节点均执行一次signal()方法，效果就是将等待队列中所有节点全部移动到同步队列中，并唤醒每个节点的线程。

[SouthEast]: /images/20221120/4e2ca9bdbe454cae985da5c694bba823.png
[SouthEast 1]: /images/20221120/98bceb7bc7d04f59afea0336f1a0a40b.png
[SouthEast 2]: /images/20221120/d2248fe7c18d45e2bc1d7cecc753f8b9.png
[SouthEast 3]: /images/20221120/9fecad0818d24401b7ce1957e21383fb.png
[SouthEast 4]: /images/20221120/b557caeb0cd94d1f975a2534e590a580.png