深入理解并发编程之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。

通过对比Object的监视器方法和Condition接口,可以更详细地了解Condition的特性

在功能特性上还是有很多的不同:

1.Condition能够支持响应中断,而通过使用Object方式不支持;
2.Condition能够支持多个等待队列(new 多个Condition对象),而Object方式只能支持一个
3.Condition能够支持超时时间的设置,而Object不支持

关于实现:以可重入锁为例

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。

可重入锁为例

//如下的代码
  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();
          }
    }

//在ReentrantLock类中
public Condition newCondition() {
        return sync.newCondition();
    }
//在ReentrantLock类的sync中重写了
final ConditionObject newCondition() {
            return new ConditionObject();
        }

然后我们接着翻,可以看到
该类真正实现是在AQS中
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;

        private void doSignal(Node first) {
            do {
                if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
                    lastWaiter = null;
                first.nextWaiter = null;
            } while (!transferForSignal(first) &&
                     (first = firstWaiter) != null);
        }
   
        private void doSignalAll(Node first) {
            lastWaiter = firstWaiter = null;
            do {
                Node next = first.nextWaiter;
                first.nextWaiter = null;
                transferForSignal(first);
                first = next;
            } while (first != null);
        }

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

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

        public final void await() throws InterruptedException {
            if (Thread.interrupted())
                throw new InterruptedException();
            Node node = addConditionWaiter();
            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) // clean up if cancelled
                unlinkCancelledWaiters();
            if (interruptMode != 0)
                reportInterruptAfterWait(interruptMode);
        }

     

以上只留了几个重要的实现方法。

我们知道在锁机制的实现上,AQS内部维护了一个同步队列,如果是独占式锁的话,所有获取锁失败的线程的尾插入到同步队列,同样的,condition内部也是使用同样的方式,内部维护了一个 等待队列,所有调用condition.await方法的线程会加入到等待队列中,并且线程状态转换为等待状态。另外注意到ConditionObject中有两个成员变量:

可以看出来ConditionObject通过持有等待队列的头尾指针来管理等待队列。
等待队列的示意图

同时还有一点需要注意的是:我们可以多次调用lock.newCondition()方法创建多个condition对象,也就是一个lock可以持有多个等待队列。而在之前利用Object的方式实际上是指在对象Object对象监视器上只能拥有一个同步队列和一个等待队列,而并发包中的Lock拥有一个同步队列和多个等待队列。示意图如下;

当具有多个不同等待队列时有以下应用场景。
https://www.jianshu.com/p/3e9458fb56ff

Condition的(部分)方法以及描述:


下面来看下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。事实上,节点的定义复用了同步器中节点的定义,也就是说,同步队列和等待队列中节点类型都是同步器的静态内部类AbstractQueuedSynchronizer.Node。

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。

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,其对应关系如图5-10所示;

Condition的实现是同步器的内部类,因此每个Condition实例都能够访问同步器

提供的方法,相当于每个Condition都拥有所属同步器的引用。

2.等待await()

调用condition.await()方法会发生什么是呢?当前线程会被构造成一个节点,然后从尾部加入到等待队里中并释放当前线程持有的锁,当前先被阻塞,然后唤醒同步队列中的后继节点,同时当前线程的状态变为等待状态(释放同步状态),然后就在等待队列中一直等待着...

上面的过程可以这样看待,就是将同步器中同步队列的首节点(获取了锁的节点)的线程移动到了等待队列的尾部。
代码如下:

public final void await() throws InterruptedException {
   if (Thread.interrupted())
       throw new InterruptedException();
   //将当前线程构造成节点然后添加到condition等待队列的尾部    
   Node node = addConditionWaiter();
   //释放锁(释放同步状态)
   int savedState = fullyRelease(node);
   int interruptMode = 0;
   //如果当前线程在同步队列中,isOnSyncQueue(node)返回true
   while (!isOnSyncQueue(node)) {
       //阻塞当前线程
       LockSupport.park(this);
       if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
           break;
   }
   //调用同步器的acquireQueued()方法加入到获取同步状态的竞争中
   if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
       interruptMode = REINTERRUPT;
   if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
       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。

同步队列的首节点并不会直接加入等待队列,而是通过addConditionWaiter()方
法把当前线程构造成一个新的节点并将其加入等待队列中。

3.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。
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:

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。

整理不易,欢迎交流。

待续。。。。。。。。

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