解析java中的condition

更新時間：2021年06月11日 15:26:28 作者：bohu83

Condition 將 Object 監(jiān)視器方法(wait()、notify()和notifyAll()）分解成截然不同的對象，以便通過將這些對象與任意Lock實現(xiàn)組合使用，為每個對象提供多個等待 set（wait-set）

一、condition 介紹及demo

Condition是在java 1.5中才出現(xiàn)的，它用來替代傳統(tǒng)的Object的wait()、notify()實現(xiàn)線程間的協(xié)作，相比使用Object的wait()、notify()，使用Condition的await()、signal()這種方式實現(xiàn)線程間協(xié)作更加安全和高效。因此通常來說比較推薦使用Condition，阻塞隊列實際上是使用了Condition來模擬線程間協(xié)作。

Condition是個接口，基本的方法就是await()和signal()方法；
Condition依賴于Lock接口，生成一個Condition的基本代碼是lock.newCondition()
調(diào)用Condition的await()和signal()方法，都必須在lock保護之內(nèi)，就是說必須在lock.lock()和lock.unlock之間才可以使用

Conditon中的await()對應(yīng)Object的wait()；

Condition中的signal()對應(yīng)Object的notify()；

Condition中的signalAll()對應(yīng)Object的notifyAll()。

condition常見例子arrayblockingqueue。下面是demo：

package thread;
 
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class ConTest {
	
	 final Lock lock = new ReentrantLock();
	 final Condition condition = lock.newCondition();
 
	public static void main(String[] args) {
		// TODO Auto-generated method stub
		ConTest test = new ConTest();
	    Producer producer = test.new Producer();
	    Consumer consumer = test.new Consumer();
	          
	    
	    consumer.start(); 
	    producer.start();
	}
	
	 class Consumer extends Thread{
         
	        @Override
	        public void run() {
	            consume();
	        }
	          
	        private void consume() {
	           	             
	                try {
	                	   lock.lock();
	                    System.out.println("我在等一個新信號"+this.currentThread().getName());
	                    condition.await();
	                    
	                } catch (InterruptedException e) {
						// TODO Auto-generated catch block
						e.printStackTrace();
					} finally{
						System.out.println("拿到一個信號"+this.currentThread().getName());
	                    lock.unlock();
	                }
	            
	        }
	    }
	 
	 class Producer extends Thread{
         
	        @Override
	        public void run() {
	            produce();
	        }
	          
	        private void produce() {	             
	                try {
	                	   lock.lock();
	                       System.out.println("我拿到鎖"+this.currentThread().getName());
	                        condition.signalAll();	                         
	                    System.out.println("我發(fā)出了一個信號："+this.currentThread().getName());
	                } finally{
	                    lock.unlock();
	                }
	            }
	 }
	    
}

運行結(jié)果：

Condition的執(zhí)行方式，是當(dāng)在線程Consumer中調(diào)用await方法后，線程Consumer將釋放鎖，并且將自己沉睡，等待喚醒，線程Producer獲取到鎖后，開始做事，完畢后，調(diào)用Condition的signalall方法，喚醒線程Consumer，線程Consumer恢復(fù)執(zhí)行。

以上說明Condition是一個多線程間協(xié)調(diào)通信的工具類，使得某個，或者某些線程一起等待某個條件（Condition）,只有當(dāng)該條件具備( signal 或者 signalAll方法被帶調(diào)用)時，這些等待線程才會被喚醒，從而重新爭奪鎖。

Condition實現(xiàn)生產(chǎn)者、消費者模式：

package thread;

import java.util.PriorityQueue;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ConTest2 {
    private int queueSize = 10;
    private PriorityQueue<Integer> queue = new PriorityQueue<Integer>(queueSize);
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    private Condition notFull = lock.newCondition();
    private Condition notEmpty = lock.newCondition();
        
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException  {
        ConTest2 test = new ConTest2();
        Producer producer = test.new Producer();
        Consumer consumer = test.new Consumer();	          
        producer.start();
        consumer.start();
        Thread.sleep(0);
        producer.interrupt();
        consumer.interrupt();
    }
        
    class Consumer extends Thread{	          
        @Override
        public void run() {
            consume();
        }
        volatile boolean flag=true;  
        private void consume() {
            while(flag){
                lock.lock();
                try {
                    while(queue.isEmpty()){
                        try {
                            System.out.println("隊列空，等待數(shù)據(jù)");
                            notEmpty.await();
                        } catch (InterruptedException e) {	                          
                            flag =false;
                        }
                    }
                    queue.poll();                //每次移走隊首元素
                    notFull.signal();
                    System.out.println("從隊列取走一個元素，隊列剩余"+queue.size()+"個元素");
                } finally{
                    lock.unlock();
                }
            }
        }
    }
        
    class Producer extends Thread{	          
        @Override
        public void run() {
            produce();
        }
        volatile boolean flag=true;  
        private void produce() {
            while(flag){
                lock.lock();
                try {
                    while(queue.size() == queueSize){
                        try {
                            System.out.println("隊列滿，等待有空余空間");
                            notFull.await();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            
                            flag =false;
                        }
                    }
                    queue.offer(1);        //每次插入一個元素
                    notEmpty.signal();
                    System.out.println("向隊列取中插入一個元素，隊列剩余空間："+(queueSize-queue.size()));
                } finally{
                    lock.unlock();
                }
            }
        }
    }
}

運行結(jié)果如下：

二、Condition接口

condition可以通俗的理解為條件隊列。當(dāng)一個線程在調(diào)用了await方法以后，直到線程等待的某個條件為真的時候才會被喚醒。這種方式為線程提供了更加簡單的等待/通知模式。Condition必須要配合鎖一起使用，因為對共享狀態(tài)變量的訪問發(fā)生在多線程環(huán)境下。一個Condition的實例必須與一個Lock綁定，因此Condition一般都是作為Lock的內(nèi)部實現(xiàn)。

await() ：造成當(dāng)前線程在接到信號或被中斷之前一直處于等待狀態(tài)。

await(long time, TimeUnit unit) ：造成當(dāng)前線程在接到信號、被中斷或到達指定等待時間之前一直處于等待狀態(tài)

awaitNanos(long nanosTimeout) ：造成當(dāng)前線程在接到信號、被中斷或到達指定等待時間之前一直處于等待狀態(tài)。

返回值表示剩余時間，如果在nanosTimesout之前喚醒，那么返回值 = nanosTimeout - 消耗時間，如果返回值 <= 0 ,則可以認定它已經(jīng)超時了。

awaitUninterruptibly() ：造成當(dāng)前線程在接到信號之前一直處于等待狀態(tài)?！咀⒁猓涸摲椒▽χ袛嗖幻舾小?。

awaitUntil(Date deadline) ：造成當(dāng)前線程在接到信號、被中斷或到達指定最后期限之前一直處于等待狀態(tài)。如果沒有到指定時間就被通知，則返回true，否則表示到了指定時間，返回返回false。

signal() ：喚醒一個等待線程。該線程從等待方法返回前必須獲得與Condition相關(guān)的鎖。

signal()All ：喚醒所有等待線程。能夠從等待方法返回的線程必須獲得與Condition相關(guān)的鎖。

三、condition實現(xiàn)分析

Condition接口包含了多種await方式和兩個通知方法
ConditionObject實現(xiàn)了Condition接口，是AbstractQueuedSynchronizer的內(nèi)部類（因為Condition的操作都需要獲取想關(guān)聯(lián)的鎖）
Reentrantlock的newCondition方法返回與某個lock實例相關(guān)的Condition對象

public abstract class AbstractQueuedLongSynchronizer
    extends AbstractOwnableSynchronizer
    implements java.io.Serializable {

結(jié)合上面的類圖，我們看到condition實現(xiàn)是依賴于aqs，而aqs是個抽象類。里面定義了同步器的基本框架，實現(xiàn)了基本的結(jié)構(gòu)功能。只留有狀態(tài)條件的維護由具體同步器根據(jù)具體場景來定制，如常見的 ReentrantLock 、 RetrantReadWriteLock和CountDownLatch 等等，

3.1、等待隊列

Condition是AQS的內(nèi)部類。每個Condition對象都包含一個隊列(等待隊列)。等待隊列是一個FIFO的隊列，在隊列中的每個節(jié)點都包含了一個線程引用，該線程就是在Condition對象上等待的線程，如果一個線程調(diào)用了Condition.await()方法，那么該線程將會釋放鎖、構(gòu)造成節(jié)點加入等待隊列并進入等待狀態(tài)。AQS有一個同步隊列和多個等待隊列，節(jié)點都是Node。等待隊列的基本結(jié)構(gòu)如下所示。

等待分為首節(jié)點和尾節(jié)點。當(dāng)一個線程調(diào)用Condition.await()方法，將會以當(dāng)前線程構(gòu)造節(jié)點，并將節(jié)點從尾部加入等待隊列。新增節(jié)點就是將尾部節(jié)點指向新增的節(jié)點。節(jié)點引用更新本來就是在獲取鎖以后的操作，所以不需要CAS保證。同時也是線程安全的操作。

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;

3.2、等待

當(dāng)線程調(diào)用了Condition的await（）方法以后。線程就作為隊列中的一個節(jié)點被加入到等待隊列中去了。同時會釋放鎖的擁有。當(dāng)從await方法返回的時候。當(dāng)前線程一定會獲取condition相關(guān)聯(lián)的鎖。

如果從隊列（同步隊列和等待隊列）的角度去看await（）方法，當(dāng)調(diào)用await（）方法時，相當(dāng)于同步隊列的首節(jié)點（獲取鎖的節(jié)點）移動到Condition的等待隊列中。

調(diào)用該方法的線程成功的獲取鎖的線程，也就是同步隊列的首節(jié)點，該方法會將當(dāng)前線程構(gòu)造成節(jié)點并加入到等待隊列中，然后釋放同步狀態(tài)，喚醒同步隊列中的后繼節(jié)點，然后當(dāng)前線程會進入等待狀態(tài)。

當(dāng)?shù)却犃兄械墓?jié)點被喚醒的時候，則喚醒節(jié)點的線程開始嘗試獲取同步狀態(tài)。如果不是通過其他線程調(diào)用Condition.signal()方法喚醒，而是對等待線程進行中斷，則會拋出InterruptedException異常信息。

我們看一下這個await的方法，它是AQS的方法，

public final void await() throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    Node node = addConditionWaiter(); //將當(dāng)前線程包裝下后，
    //添加到Condition自己維護的一個鏈表中。
    int savedState = fullyRelease(node);//釋放當(dāng)前線程占有的鎖，從demo中看到，
    //調(diào)用await前，當(dāng)前線程是占有鎖的
    int interruptMode = 0;
    while (!isOnSyncQueue(node)) {
        //釋放完畢后，遍歷AQS的隊列，看當(dāng)前節(jié)點是否在隊列中，
        //不在 說明它還沒有競爭鎖的資格，所以繼續(xù)將自己沉睡。
        //直到它被加入到隊列中，聰明的你可能猜到了，
        //沒有錯，在singal的時候加入不就可以了？
    LockSupport.park(this);
    if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
        break;
    }  
//被喚醒后，重新開始正式競爭鎖，同樣，如果競爭不到還是會將自己沉睡，等待喚醒重新開始競爭。
if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
    interruptMode = REINTERRUPT;
if (node.nextWaiter != null)
    unlinkCancelledWaiters();
if (interruptMode != 0)
    reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}

結(jié)合代碼去看，同步隊列的首節(jié)點并不會直接加入等待隊列，而是通過addConditionWaiter把當(dāng)前線程構(gòu)造成一個新節(jié)點并加入到等待隊列中。

/**
    * 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;
    }
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
    if (t == null)
        firstWaiter = node;
    else
        t.nextWaiter = node;
    lastWaiter = node;
    return node;
}

3.3、通知

調(diào)用Condition的signal()方法，將會喚醒在等待隊列中等待最長時間的節(jié)點（條件隊列里的首節(jié)點），在喚醒節(jié)點前，會將節(jié)點移到同步隊列中。當(dāng)前線程加入到等待隊列中如圖所示：

回到上面的demo，鎖被釋放后，線程Consumer開始沉睡，這個時候線程因為線程Consumer沉睡時，會喚醒AQS隊列中的頭結(jié)點，所所以線程Producer會開始競爭鎖，并獲取到，執(zhí)行完后線程Producer會調(diào)用signal方法，“發(fā)出”signal信號，signal方法如下：

public final void signal() {
 if (!isHeldExclusively())
    throw new IllegalMonitorStateException();
 Node first = firstWaiter; //firstWaiter為condition自己維護的一個鏈表的頭結(jié)點，
 //取出第一個節(jié)點后開始喚醒操作
 if (first != null)
    doSignal(first);
}

在調(diào)用signal()方法之前必須先判斷是否獲取到了鎖（isHeldExclusively方法）。接著獲取等待隊列的首節(jié)點，將其移動到同步隊列并且利用LockSupport喚醒節(jié)點中的線程。

被喚醒的線程將從await方法中的while循環(huán)中退出（ while (!isOnSyncQueue(node)) { 方法返回true，節(jié)點已經(jīng)在同步隊列中）。隨后調(diào)用同步器的acquireQueued（）方法加入到同步狀態(tài)的競爭當(dāng)中去。成功獲取到競爭的線程從先前調(diào)用await方法返回，此時該線程已經(jīng)成功獲取了鎖。

*********************************************

AQS的同步隊列與Condition的等待隊列，兩個隊列的作用是不同，事實上，每個線程也僅僅會同時存在以上兩個隊列中的一個，流程是這樣的：

注意：

1.線程producer調(diào)用signal方法，這個時候Condition的等待隊列中只有線程Consumer一個節(jié)點，于是它被取出來，并被加入到AQS的等待隊列中。注意，這個時候，線程Consumer 并沒有被喚醒。

2.Sync是AQS的抽象子類，實現(xiàn)可重入和互斥的大部分功能。在Sync的子類中有FairSync和NonfairSync兩種代表公平鎖策略和非公平鎖策略。Sync lock方法留給子類去實現(xiàn)，NonfairSync的實現(xiàn)：

final void lock() {
    if (compareAndSetState(0, 1))
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
        acquire(1);
}

其中如果一開始獲取鎖成功，是直接設(shè)置當(dāng)前線程。

否則執(zhí)行acquire(1),也就是進入aqs等待隊列。這里不展開細節(jié)。

可以這樣理解，整個協(xié)作過程是靠結(jié)點在AQS的等待隊列和Condition的等待隊列中來回移動實現(xiàn)的，每個隊列的意義不同，Condition作為一個條件類，很好的自己維護了一個等待信號的隊列，并在適時的時候?qū)⒔Y(jié)點加入到AQS的等待隊列中來實現(xiàn)的喚醒操作

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