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【死磕Java并发】—– J.U.C之Condition
栏目分类:编程教程   发布日期:2019-09-06   浏览次数:

原文出处:http://cmsblogs.com/ 『chenssy』 此篇博客所有源码均来自JDK 1.8 在没有Lock之前,我们使用synchronized来控制同步,配合Object的wait()、notify()系列方法可以实现等待/通知模式。在Java SE5后,Java提供了Lock接口,相对于Synchronized而言,L
原文出处:http://cmsblogs.com/ 『chenssy』

此篇博客所有源码均来自JDK 1.8

在没有Lock之前,我们使用synchronized来控制同步,配合Object的wait()、notify()系列方法可以实现等待/通知模式。在Java SE5后,Java提供了Lock接口,相对于Synchronized而言,Lock提供了条件Condition,对线程的等待、唤醒操作更加详细和灵活。下图是Condition与Object的监视器方法的对比(摘自《Java并发编程的艺术》):

【死磕Java并发】—– J.U.C之Condition

Condition提供了一系列的方法来对阻塞和唤醒线程:

  1. await() :造成当前线程在接到信号或被中断之前一直处于等待状态。
  2. **await(long time, TimeUnit unit) **:造成当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态。
  3. **awaitNanos(long nanosTimeout) **:造成当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态。返回值表示剩余时间,如果在nanosTimesout之前唤醒,那么返回值 = nanosTimeout – 消耗时间,如果返回值 <= 0 ,则可以认定它已经超时了。
  4. **awaitUninterruptibly() **:造成当前线程在接到信号之前一直处于等待状态。【注意:该方法对中断不敏感】。
  5. **awaitUntil(Date deadline) **:造成当前线程在接到信号、被中断或到达指定最后期限之前一直处于等待状态。如果没有到指定时间就被通知,则返回true,否则表示到了指定时间,返回返回false。
  6. signal():唤醒一个等待线程。该线程从等待方法返回前必须获得与Condition相关的锁。
  7. signal()All:唤醒所有等待线程。能够从等待方法返回的线程必须获得与Condition相关的锁。

Condition是一种广义上的条件队列。他为线程提供了一种更为灵活的等待/通知模式,线程在调用await方法后执行挂起操作,直到线程等待的某个条件为真时才会被唤醒。Condition必须要配合锁一起使用,因为对共享状态变量的访问发生在多线程环境下。一个Condition的实例必须与一个Lock绑定,因此Condition一般都是作为Lock的内部实现。

Condtion的实现

获取一个Condition必须要通过Lock的newCondition()方法。该方法定义在接口Lock下面,返回的结果是绑定到此 Lock 实例的新 Condition 实例。Condition为一个接口,其下仅有一个实现类ConditionObject,由于Condition的操作需要获取相关的锁,而AQS则是同步锁的实现基础,所以ConditionObject则定义为AQS的内部类。定义如下:

public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
}

等待队列

每个Condition对象都包含着一个FIFO队列,该队列是Condition对象通知/等待功能的关键。在队列中每一个节点都包含着一个线程引用,该线程就是在该Condition对象上等待的线程。我们看Condition的定义就明白了:

public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
 private static final long serialVersionUID = 1173984872572414699L;
 //头节点
 private transient Node firstWaiter;
 //尾节点
 private transient Node lastWaiter;
 public ConditionObject() {
 }
 /** 省略方法 **/
}

从上面代码可以看出Condition拥有首节点(firstWaiter),尾节点(lastWaiter)。当前线程调用await()方法,将会以当前线程构造成一个节点(Node),并将节点加入到该队列的尾部。结构如下:

【死磕Java并发】—– J.U.C之Condition

Node里面包含了当前线程的引用。Node定义与AQS的CLH同步队列的节点使用的都是同一个类(AbstractQueuedSynchronized.Node静态内部类)。

Condition的队列结构比CLH同步队列的结构简单些,新增过程较为简单只需要将原尾节点的nextWaiter指向新增节点,然后更新lastWaiter即可。

等待

调用Condition的await()方法会使当前线程进入等待状态,同时会加入到Condition等待队列同时释放锁。当从await()方法返回时,当前线程一定是获取了Condition相关连的锁。

【死磕Java并发】—– J.U.C之Condition

此段代码的逻辑是:首先将当前线程新建一个节点同时加入到条件队列中,然后释放当前线程持有的同步状态。然后则是不断检测该节点代表的线程释放出现在CLH同步队列中(收到signal信号之后就会在AQS队列中检测到),如果不存在则一直挂起,否则参与竞争同步状态。

加入条件队列(addConditionWaiter())源码如下:

【死磕Java并发】—– J.U.C之Condition

该方法主要是将当前线程加入到Condition条件队列中。当然在加入到尾节点之前会清楚所有状态不为Condition的节点。

fullyRelease(Node node),负责释放该线程持有的锁。

 final long fullyRelease(Node node) {
 boolean failed = true;
 try {
 //节点状态--其实就是持有锁的数量
 long savedState = getState();
 //释放锁
 if (release(savedState)) {
 failed = false;
 return savedState;
 } else {
 throw new IllegalMonitorStateException();
 }
 } finally {
 if (failed)
 node.waitStatus = Node.CANCELLED;
 }
 }

isOnSyncQueue(Node node):如果一个节点刚开始在条件队列上,现在在同步队列上获取锁则返回true

 final boolean isOnSyncQueue(Node node) {
 //状态为Condition,获取前驱节点为null,返回false
 if (node.waitStatus == Node.CONDITION || node.prev == null)
 return false;
 //后继节点不为null,肯定在CLH同步队列中
 if (node.next != null)
 return true;
 return findNodeFromTail(node);
 }

unlinkCancelledWaiters():负责将条件队列中状态不为Condition的节点删除

 private void unlinkCancelledWaiters() {
 Node t = firstWaiter;
 Node trail = null;
 while (t != null) {
 Node next = t.nextWaiter;
 if (t.waitStatus != Node.CONDITION) {
 t.nextWaiter = null;
 if (trail == null)
 firstWaiter = next;
 else
 trail.nextWaiter = next;
 if (next == null)
 lastWaiter = trail;
 }
 else
 trail = t;
 t = next;
 }
 }

通知

调用Condition的signal()方法,将会唤醒在等待队列中等待最长时间的节点(条件队列里的首节点),在唤醒节点前,会将节点移到CLH同步队列中。

 public final void signal() {
 //检测当前线程是否为拥有锁的独
 if (!isHeldExclusively())
 throw new IllegalMonitorStateException();
 //头节点,唤醒条件队列中的第一个节点
 Node first = firstWaiter;
 if (first != null)
 doSignal(first); //唤醒
 }

该方法首先会判断当前线程是否已经获得了锁,这是前置条件。然后唤醒条件队列中的头节点。

doSignal(Node first):唤醒头节点

 private void doSignal(Node first) {
 do {
 //修改头结点,完成旧头结点的移出工作
 if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
 lastWaiter = null;
 first.nextWaiter = null;
 } while (!transferForSignal(first) &&
 (first = firstWaiter) != null);
 }

doSignal(Node first)主要是做两件事:1.修改头节点,2.调用transferForSignal(Node first) 方法将节点移动到CLH同步队列中。transferForSignal(Node first)源码如下:

 final boolean transferForSignal(Node node) {
 //将该节点从状态CONDITION改变为初始状态0,
 if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
 return false;
 //将节点加入到syn队列中去,返回的是syn队列中node节点前面的一个节点
 Node p = enq(node);
 int ws = p.waitStatus;
 //如果结点p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;
 }

整个通知的流程如下:

  1. 判断当前线程是否已经获取了锁,如果没有获取则直接抛出异常,因为获取锁为通知的前置条件。
  2. 如果线程已经获取了锁,则将唤醒条件队列的首节点
  3. 唤醒首节点是先将条件队列中的头节点移出,然后调用AQS的enq(Node node)方法将其安全地移到CLH同步队列中
  4. 最后判断如果该节点的同步状态是否为Cancel,或者修改状态为Signal失败时,则直接调用LockSupport唤醒该节点的线程。

总结

一个线程获取锁后,通过调用Condition的await()方法,会将当前线程先加入到条件队列中,然后释放锁,最后通过isOnSyncQueue(Node node)方法不断自检看节点是否已经在CLH同步队列了,如果是则尝试获取锁,否则一直挂起。当线程调用signal()方法后,程序首先检查当前线程是否获取了锁,然后通过doSignal(Node first)方法唤醒CLH同步队列的首节点。被唤醒的线程,将从await()方法中的while循环中退出来,然后调用acquireQueued()方法竞争同步状态。

Condition的应用

只知道原理,如果不知道使用那就坑爹了,下面是用Condition实现的生产者消费者问题:

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