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[Java知识库]Java并发之Condition详解

一、简介

1. 什么是Condition

任意一个Java对象，都拥有一组监视器方法（定义在java.lang.Object上），主要包括wait()、wait(long timeout)、notify()以及notifyAll()方法，这些方法与synchronized同步关键字配合，可以实现等待/通知模式。Condition接口也提供了类似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。——摘自《Java并发编程的艺术》

下面是Condition与Object的监视器方法的对比（摘自《Java并发编程的艺术》）

对比项	Object Monitor Methods	Condition
前置条件	获取对象的锁	1.调用`Lock.lock()`获取锁 2.调用`Lock.newCondition()`获取Condition对象
调用方式	直接调用。如`Object.wait()`	直接调用。如`condition.await()`
等待队列的个数	一个	多个
当前线程释放锁并进入等待状态	支持	支持
当前线程释放锁并进入等待状态，且在等待状态中不响应中断	不支持	支持
当前线程释放锁并进入超时等待状态	支持	支持
当前线程释放锁并进入等待状态直到将来的某个时间	不支持	支持
唤醒等待队列中的一个线程	支持	支持
唤醒等待队列中的全部线程	支持	支持

2. Condition接口

我们来看一下Condition接口的定义

public interface Condition {

    //等待，当前线程接受到信号前、或中断前一直处于等待状态
    void await() throws InterruptedException;

    //等待，当前线程接受到信号前一直处于等待状态，不响应中断
    void awaitUninterruptibly();

    //等待，当前线程接受到信号前、或中断前、或到达指定等待时间之前一直处于等待状态，返回值 = nanosTimeout - 实际消耗的时间，返回值 <= 0表示超时
    long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;

    //等待，当前线程接受到信号前、或中断前、或到达指定等待时间之前一直处于等待状态，返回boolean类型，表示是否在指定时间内获取到接受信号，false表示超时。
    //它与上一个方法不同在于可以自定义超时时间单位，等同于awaitNanos(unit.toNanos(time)) > 0
    boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

    //等待，当前线程在接收到信号前、被中断或到达指定最后唤醒一个等待线程。如果所有的线程都在等待此条件，则选择其中的一个唤醒。在从 await 返回之前，该线程必须重新获取锁。期限之前一直处于等待状态
    boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;

    //唤醒一个等待线程。如果所有的线程都在等待此条件，则选择其中的一个唤醒。在从 await 返回之前，该线程必须重新获取与Condition相关的锁。
    void signal();

    //唤醒所有等待线程。如果所有的线程都在等待此条件，则唤醒所有线程。在从 await 返回之前，每个线程都必须重新获取与Condition相关的锁。
    void signalAll();
}

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。

二、基本使用

以基本的B线程唤醒A线程为例

1. Object等待唤醒写法

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    //对象锁
    Object obj=new Object();

    //创建线程A
    Thread threadA = new Thread(()->{
        System.out.println("A尝试获取锁...");
        synchronized (obj){
            System.out.println("A获取锁成功！");
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                System.out.println("A开始释放锁，并开始等待...");
                //线程A开始等待
                obj.wait();
                System.out.println("A被通知继续运行，直至结束。");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

    });
    //创建线程B
    Thread threadB = new Thread(()->{
        System.out.println("B尝试获取锁...");
        synchronized (obj){
            System.out.println("B获取锁成功！");
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
                System.out.println("B开始释放锁...");
                //线程B开始唤醒线程A
                obj.notify();
                System.out.println("B随机通知lock对象的等待队列中某个线程！");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    });
    //启动线程A
    threadA.start();
    //这里为了是线程A先执行，避免B先执行了notify导致A永远无法被唤醒
    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
    //启动线程B
    threadB.start();
}

执行结果如下

A尝试获取锁...
A获取锁成功！
A开始释放锁，并开始等待...
B尝试获取锁...
B获取锁成功！
B开始释放锁...
B随机通知lock对象的等待队列中某个线程！
A被通知继续运行，直至结束。

Process finished with exit code 0

2. Condition等待唤醒写法

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    //创建lock对象
    Lock lock = new ReentrantLock();
    //新建condition
    Condition condition = lock.newCondition();

    //创建线程A
    Thread threadA = new Thread(()->{
        System.out.println("A尝试获取锁...");
        lock.lock();
        try {
            System.out.println("A获取锁成功！");
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            System.out.println("A开始释放锁，并开始等待...");
            //线程A开始等待
            condition.await();
            System.out.println("A被通知继续运行...");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }finally {
            lock.unlock();
            System.out.println("A线程释放了锁，执行结束！");
        }

    });
    //创建线程B
    Thread threadB = new Thread(()->{
        System.out.println("B尝试获取锁...");
        lock.lock();
        try {
            System.out.println("B获取锁成功！");
            TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
            System.out.println("B开始释放锁...");
            //线程B开始唤醒线程A
            condition.signal();
            System.out.println("B随机通知lock对象的等待队列中某个线程！");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }finally {
            lock.unlock();
            System.out.println("B线程释放了锁，执行结束！");
        }
    });
    //启动线程A
    threadA.start();
    //这里为了是线程A先执行，避免B先执行了notify导致A永远无法被唤醒
    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
    //启动线程B
    threadB.start();
}

执行结果如下

A尝试获取锁...
A获取锁成功！
A开始释放锁，并开始等待...
B尝试获取锁...
B获取锁成功！
B开始释放锁...
B随机通知lock对象的等待队列中某个线程！
B线程释放了锁，执行结束！
A被通知继续运行...
A线程释放了锁，执行结束！

Process finished with exit code 0

三、实现原理

1. ConditionObject类

ConditionObject是Condition在java并发中的具体的实现，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。

1.1 类继承关系

ConditionObject定义如下

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

实现Condition和Serializable接口。

1.2 类的属性

它主要包含如下属性

//序列化版本号
private static final long serialVersionUID = 1173984872572414699L;
//条件（等待）队列的第一个节点
private transient Node firstWaiter;
//条件（等待）队列的最后一个节点
private transient Node lastWaiter;

2. 等待队列

每个ConditionObject都包含一个FIFO队列，队列中的节点类型是AQS的内部类——Node类，每个节点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。与CLH同步队列不同的是，Condition的等待队列是单向队列，即每个节点仅包含指向下一节点的引用，如下图所示

3. await方法解析

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。await方法代码如下

public final void await() throws InterruptedException {
    //响应中断
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    //将当前线程加入到等待队列中
    Node node = addConditionWaiter();
    //释放锁
    int savedState = fullyRelease(node);
    //中断模式
    int interruptMode = 0;
    //检测此节点是否在同步队列中，如果不在，说明该线程还不具备竞争锁的资格，继续等待，直到检测到此节点在同步队列中
    while (!isOnSyncQueue(node)) {
        //挂起线程
        LockSupport.park(this);
        //如果发现线程已经中断了，则直接退出
        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);
}

我们来一步一步分析。首先进行响应中断的判断。如果没有中断异常抛出，则调用addConditionWaiter方法将当前线程加入到等待队列中，方法如下

private Node addConditionWaiter() {
    //获取尾结点
    Node t = lastWaiter;
    //如果t不为空且其等待状态不为CONDITION，表示该节点不处于等待状态，需要清除掉
    if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
        unlinkCancelledWaiters();
        //重新获取新的尾结点
        t = lastWaiter;
    }
    //创建包含当前线程的结点，状态为CONDITION
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
    //如果t为空，则表示队列为空，因此新节点为第一个节点
    if (t == null)
        //设置头结点
        firstWaiter = node;
    //否则队列不为空，将节点插入到最后一个位置
    else
        //节点插入到最后一个位置
        t.nextWaiter = node;
    //设置尾结点
    lastWaiter = node;
    //返回节点
    return node;
}

//清除条件队列中所有状态不为Condition的节点
private void unlinkCancelledWaiters() {
    //获取头结点
    Node t = firstWaiter;
    Node trail = null;
    //从头往尾清除掉等待状态不为CONDITION的节点
    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;
    }
}

当前节点添加到等待队列成功后，会进行调用fullyRelease方法完全释放锁

final int fullyRelease(Node node) {
    //是否失败标志
    boolean failed = true;
    try {
        //获取同步状态
        int savedState = getState();
        //如果释放锁成功
        if (release(savedState)) {
            //失败标志为否
            failed = false;
            //返回原同步状态
            return savedState;
        }  
        //如果释放锁失败，直接抛出异常
        else {
            throw new IllegalMonitorStateException();
        }
    } finally {
        //如果操作失败，则将节点状态置为无效
        if (failed)
            node.waitStatus = Node.CANCELLED;
    }
}

释放锁成功后，会进行自旋，自旋中会不断判断节点是否在同步队列中，如果不在，如果不在，说明该线程还不具备竞争锁的资格，继续等待，直到检测到此节点在同步队列中，代码如下

while (!isOnSyncQueue(node)) {
    LockSupport.park(this);
    //线程被唤醒后，需要判断在挂起的时候是否发生过中断，如果发生过中断，直接退出循环
    if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
        break;
}

//---------------------------以下是上述代码调用的方法的详解-----------------------------------
//返回是否发生过中断以及中断的模式
//THROW_IE：表示退出等待时重新中断
//REINTERRUPT：表示退出等待时抛出InterruptedException异常
private int checkInterruptWhileWaiting(Node node) {
    //如果发生线程被中断，执行方法transferAfterCancelledWait，否则返回0
    return Thread.interrupted() ?
        (transferAfterCancelledWait(node) ? THROW_IE : REINTERRUPT) :
    0;
}

//???该方法具体做啥的一直不理解，自己也不敢乱说，如果知道的小伙伴可以私信我
final boolean transferAfterCancelledWait(Node node) {
    if (compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0)) {
        enq(node);
        return true;
    }
    while (!isOnSyncQueue(node))
        Thread.yield();
    return false;
}

我们先来看一下isOnSyncQueue方法的实现

final boolean isOnSyncQueue(Node node) {
    //能够在CLH队列的节点，节点的状态肯不为CONDITION（自旋修改成SIGNAL），并且前驱不可能为空（CLH队列非head节点肯定存在前驱），如果有一个不满足，说明节点肯定不在CLH队列中，返回false
    if (node.waitStatus == Node.CONDITION || node.prev == null)
        return false;
    //如果节点的后继存在，说明一定入队了
    //这是为什么呢？因为调用该方法之前node节点插入的位置是等待队列的末尾，next域肯定为null，如果不为空，说明肯定不在等待队列中，即在CLH队列中
    if (node.next != null) // If has successor, it must be on queue
        return true;
    //从尾往头查找CLH队列，看是否存在node节点
    return findNodeFromTail(node);
}

//判断CLH队列否存在node节点
private boolean findNodeFromTail(Node node) {
    //获取节点
    Node t = tail;
    //从后往前遍历查找是否存在node节点
    for (;;) {
        if (t == node)
            return true;
        if (t == null)
            return false;
        t = t.prev;
    }
}

这里为啥要判断是否在CLH队列中呢？因为在执行通知操作时会将等待队列的节点转移到CLH队列中，表示这个节点可以被唤醒，任何在等待队列中需要被唤醒的节点都会在进入CLH队列中进行排队等待获取锁。至此是当前线程被挂起的所有流程，当其他线程通知该线程唤醒的时候，就会继续执行下去，剩下的代码是三个if判断，代码如下所示

if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
    interruptMode = REINTERRUPT;
if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
    unlinkCancelledWaiters();
if (interruptMode != 0)
    reportInterruptAfterWait(interruptMode);

第一个if判断：它调用acquireQueued方法，该方法是一个自旋的过程，即每个线程进入同步队列中，都会自旋地观察自己是否满足条件且获取到同步状态，则就可以从自旋过程中退出，否则继续自旋下去（代码细节已经在之前AQS文章中详解过，这里不再赘述，详情参考文章：深入理解AQS实现原理），返回结果表示当前是否中断过，同时再判断interruptMode是否不是THROW_IE，如果不是则会将interruptMode设置为REINTERRUPT，即等待结束后自我中断。
第二个if判断：如果node的下一个等待者不为空，会清除所有状态为cancelled的节点。

第三个if判断：根据中断模式进行中断操作

private void reportInterruptAfterWait(int interruptMode)
    throws InterruptedException {
    //如果中断模式为THROW_IE，直接抛出异常
    if (interruptMode == THROW_IE)
        throw new InterruptedException();
    //如果中断模式为REINTERRUPT，自我中断
    else if (interruptMode == REINTERRUPT)
        selfInterrupt();
}

至此await的整个流程就走完了，我们来总结一下await的执行流程，前提获取到锁（这里忽略中断的细节操作）

1）将当前线程包装成节点插入到Condition的等待队列的队尾
2）释放锁
3）自旋挂起，当其他线程唤醒当前线程的时候，退出条件为节点已经被移到CLH队列中或当前节点对应的线程发生了中断，否则继续挂起
4）获取锁，进行后续的操作

4. signal方法解析

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。代码如下

public final void signal() {
    //判断当前线程是否为持有锁的线程，如果不是抛出异常
    if (!isHeldExclusively())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    //获取头结点
    Node first = firstWaiter;
    //如果头结点不为空，唤醒头结点
    if (first != null)
        doSignal(first);
}

调用该方法需要判断当前线程是否获取了锁，否则直接抛出异常，紧接着调用方法doSignal唤醒队列中的头结点，代码如下

private void doSignal(Node first) {
    //因为在外层已经判断过first不为空了，所以使用do..while..
    do {
        //移除first，修改头节点，同时如果此时队列为空，则需要修改尾结点
        if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
            lastWaiter = null;
        first.nextWaiter = null;
    } while (!transferForSignal(first) &&
             (first = firstWaiter) != null);
}

//将节点移动到CLH同步队列中，返回是否移动成功0
final boolean transferForSignal(Node node) {
    //将节点状态由CONDITION修改为初始状态0
    if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))		//如果CAS修改失败，返回false
        return false;

    //将节点加入到CLH队列中，返回的是CLH队列中node节点前面的一个节点
    Node p = enq(node);
    //获取p的状态
    int ws = p.waitStatus;
    //如果节点p的状态大于0（cancel状态）直接唤醒node节点对应的线程，否则CAS修改节点p的状态为SIGNAL，修改失败进行唤醒，否则不唤醒
    //这块猜测是如果设置失败避免没有其他节点唤醒这个线程，自己先唤醒一下
    if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
        //唤醒线程
        LockSupport.unpark(node.thread);
    return true;
}

整个signal的流程较为简单，我们来总结一下

判断当前线程是否是持有锁的线程，如果不是则抛出异常，否则继续执行
将Condition对应的等待队列的头结点移到到CLH队列中去

5. 总结

总的来说，Condition的实现就是在其中新增一个等待队列。当调用 await方法，就会将当前线程放入到这个等待队列的队尾，同时当前线程挂起，等待其他线程唤醒。当其他线程调用 signal 方法时，就会从等待队列中取出一个线程并插入到CLH队列中，之后就是常规的AQS获取锁流程。

其余方法如

public final void awaitUninterruptibly(){...}
public final long awaitNanos(long nanosTimeout){...}
public final boolean await(long time, TimeUnit unit){...}
public final boolean awaitUntil(Date deadline){...}
public final void signalAll(){...}