【死磕Java并发】—–J.U.C之Condition

280 阅读11分钟
原文链接: mp.weixin.qq.com

此篇博客所有源码均来自JDK 1.8

作者:大明哥 原文地址:http://cmsblogs.com

J.U.C之AQS传送门

【死磕Java并发】—–J.U.C之AQS(一篇就够了),作为同步组件的基础,AQS做了太多的工作,自定义同步组件只需要简单地实现自定义方法,然后加上AQS提供的模板方法,就可以实现强大的自定义同步组件,理解了AQS,其他理解起来就容易很多了。

Condition介绍

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》):

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:

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。

    public final void await() throws InterruptedException {        // 当前线程中断        if (Thread.interrupted())            throw new InterruptedException();        //当前线程加入等待队列        Node node = addConditionWaiter();        //释放锁        long savedState = fullyRelease(node);        int interruptMode = 0;        /**         * 检测此节点的线程是否在同步队上,如果不在,则说明该线程还不具备竞争锁的资格,则继续等待         * 直到检测到此节点在同步队列上         */        while (!isOnSyncQueue(node)) {            //线程挂起            LockSupport.park(this);            //如果已经中断了,则退出            if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)                break;        }        //竞争同步状态        if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)            interruptMode = REINTERRUPT;        //清理下条件队列中的不是在等待条件的节点        if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled            unlinkCancelledWaiters();        if (interruptMode != 0)            reportInterruptAfterWait(interruptMode);    }

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:

    private Node addConditionWaiter() {        Node t = lastWaiter;    //尾节点        //Node的节点状态如果不为CONDITION,则表示该节点不处于等待状态,需要清除节点        if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {            //清除条件队列中所有状态不为Condition的节点            unlinkCancelledWaiters();            t = lastWaiter;        }        //当前线程新建节点,状态CONDITION        Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);        /**         * 将该节点加入到条件队列中最后一个位置         */        if (t == null)            firstWaiter = node;        else            t.nextWaiter = node;        lastWaiter = node;        return node;    }

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:

public class ConditionTest {    private LinkedList<String> buffer;    //容器    private int maxSize ;           //容器最大    private Lock lock;    private Condition fullCondition;    private Condition notFullCondition;    ConditionTest(int maxSize){        this.maxSize = maxSize;        buffer = new LinkedList<String>();        lock = new ReentrantLock();        fullCondition = lock.newCondition();        notFullCondition = lock.newCondition();    }    public void set(String string) throws InterruptedException {        lock.lock();    //获取锁        try {            while (maxSize == buffer.size()){                notFullCondition.await();       //满了,添加的线程进入等待状态            }            buffer.add(string);            fullCondition.signal();        } finally {            lock.unlock();      //记得释放锁        }    }    public String get() throws InterruptedException {        String string;        lock.lock();        try {            while (buffer.size() == 0){                fullCondition.await();            }            string = buffer.poll();            notFullCondition.signal();        } finally {            lock.unlock();        }        return string;    }}

如果读完觉得有收获的话,欢迎点赞、关注、加公众号【匠心零度】,查阅更多精彩历史!!!