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:
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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。
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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。
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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。
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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】。
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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。
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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。
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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:
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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。
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如果线程已经获取了锁,则将唤醒条件队列的首节点
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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
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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; }}
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