13.死磕Java并发-----J.U.C之Condition
12.Condition使用总结
11.Java并发编程系列之十七：Condition接口
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13.死磕Java并发-----J.U.C之Condition
此篇博客所有源码均来自JDK 1.8
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：
- 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。
- 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。
- 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。
- 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】。
- 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。
- 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。
- 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：
- 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。
- 如果线程已经获取了锁，则将唤醒条件队列的首节点
- 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
- 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;
}
}12.Condition使用总结
一、介绍
Condition是在java 1.5中才出现的，它用来替代传统的Object的wait()、notify()实现线程间的协作，相比使用Object的wait()、notify()，使用Condition1的await()、signal()这种方式实现线程间协作更加安全和高效。简单说，他的作用是使得某些线程一起等待某个条件（Condition），只有当该条件具备(signal 或者 signalAll方法被调用)时，这些等待线程才会被唤醒，从而重新争夺锁。
二、使用
Condition是个接口，基本的方法就是await()和signal()方法；
Condition依赖于Lock接口，生成一个Condition的基本代码是lock.newCondition()
调用Condition的await()和signal()方法，都必须在lock保护之内，就是说必须在lock.lock()和lock.unlock之间才可以使用
Conditon中的await()对应Object的wait()；
Condition中的signal()对应Object的notify()；
Condition中的signalAll()对应Object的notifyAll()。
三、示例代码
- package com.meituan.hyt.test4;
- import java.util.concurrent.locks.Condition;
- import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
- public class Main {
- public static void main(String[] args) {
- final ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock();
- final Condition condition = reentrantLock.newCondition();
- new Thread(new Runnable() {
- @Override
- public void run() {
- reentrantLock.lock();
- System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿到锁了");
- System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "等待信号");
- try {
- condition.await();
- } catch (InterruptedException e) {
- e.printStackTrace();
- }
- System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿到信号");
- reentrantLock.unlock();
- }
- }, "线程1").start();
- new Thread(new Runnable() {
- @Override
- public void run() {
- reentrantLock.lock();
- System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿到锁了");
- try {
- Thread.sleep(3000);
- } catch (InterruptedException e) {
- e.printStackTrace();
- }
- System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "发出信号");
- condition.signalAll();
- reentrantLock.unlock();
- }
- }, "线程2").start();
- }
- }
运行结果：
线程1拿到锁了
线程1等待信号
线程2拿到锁了
线程2发出信号
线程1拿到信号
四、原理
我们知道Lock的本质是AQS，AQS自己维护的队列是当前等待资源的队列，AQS会在资源被释放后，依次唤醒队列中从前到后的所有节点，使他们对应的线程恢复执行，直到队列为空。而Condition自己也维护了一个队列，该队列的作用是维护一个等待signal信号的队列。但是，两个队列的作用不同的，事实上，每个线程也仅仅会同时存在以上两个队列中的一个，流程是这样的：
1. 线程1调用reentrantLock.lock时，尝试获取锁。如果成功，则返回，从AQS的队列中移除线程；否则阻塞，保持在AQS的等待队列中。
2. 线程1调用await方法被调用时，对应操作是被加入到Condition的等待队列中，等待signal信号；同时释放锁。
3. 锁被释放后，会唤醒AQS队列中的头结点，所以线程2会获取到锁。
4. 线程2调用signal方法，这个时候Condition的等待队列中只有线程1一个节点，于是它被取出来，并被加入到AQS的等待队列中。注意，这个时候，线程1 并没有被唤醒，只是被加入AQS等待队列。
5. signal方法执行完毕，线程2调用unLock()方法，释放锁。这个时候因为AQS中只有线程1，于是，线程1被唤醒，线程1恢复执行。
所以：
发送signal信号只是将Condition队列中的线程加到AQS的等待队列中。只有到发送signal信号的线程调用reentrantLock.unlock()释放锁后，这些线程才会被唤醒。
可以看到，整个协作过程是靠结点在AQS的等待队列和Condition的等待队列中来回移动实现的，Condition作为一个条件类，很好的自己维护了一个等待信号的队列，并在适时的时候将结点加入到AQS的等待队列中来实现的唤醒操作。
await源码：
- public final void await() throws InterruptedException {
- // 1.如果当前线程被中断，则抛出中断异常
- if (Thread.interrupted())
- throw new InterruptedException();
- // 2.将节点加入到Condition队列中去，这里如果lastWaiter是cancel状态，那么会把它踢出Condition队列。
- Node node = addConditionWaiter();
- // 3.调用tryRelease，释放当前线程的锁
- long savedState = fullyRelease(node);
- int interruptMode = 0;
- // 4.为什么会有在AQS的等待队列的判断？
- // 解答：signal操作会将Node从Condition队列中拿出并且放入到等待队列中去，在不在AQS等待队列就看signal是否执行了
- // 如果不在AQS等待队列中，就park当前线程，如果在，就退出循环，这个时候如果被中断，那么就退出循环
- while (!isOnSyncQueue(node)) {
- LockSupport.park(this);
- if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
- break;
- }
- // 5.这个时候线程已经被signal()或者signalAll()操作给唤醒了，退出了4中的while循环
- // 自旋等待尝试再次获取锁，调用acquireQueued方法
- if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
- interruptMode = REINTERRUPT;
- if (node.nextWaiter != null)
- unlinkCancelledWaiters();
- if (interruptMode != 0)
- reportInterruptAfterWait(interruptMode);
- }
1.将当前线程加入Condition锁队列。特别说明的是，这里不同于AQS的队列，这里进入的是Condition的FIFO队列。
2.释放锁。这里可以看到将锁释放了，否则别的线程就无法拿到锁而发生死锁。
3.自旋(while)挂起，直到被唤醒（signal把他重新放回到AQS的等待队列）或者超时或者CACELLED等。
4.获取锁(acquireQueued)。并将自己从Condition的FIFO队列中释放，表明自己不再需要锁（我已经拿到锁了）。
signal就是唤醒Condition队列中的第一个非CANCELLED节点线程，而signalAll就是唤醒所有非CANCELLED节点线程，本质是将节点从Condition队列中取出来一个还是所有节点放到AQS的等待队列。尽管所有Node可能都被唤醒，但是要知道的是仍然只有一个线程能够拿到锁，其它没有拿到锁的线程仍然需要自旋等待，就上上面提到的第4步(acquireQueued)。11.Java并发编程系列之十七：Condition接口
通过前面的文章，我们知道任何一个Java对象，都拥有一组监视器方法，主要包括wait()、notify()、notifyAll()方法，这些方法与synchronized关键字配合使用可以实现等待/通知机制。而且前面我们已经使用这种方式实现了生产者-消费者模式。类似地，Condition接口也提供类似的Object的监视器的方法，主要包括await()、signal()、signalAll()方法，这些方法与Lock锁配合使用也可以实现等待/通知机制。
相比Object实现的监视器方法，Condition接口的监视器方法具有一些Object所没有的特性：
- Condition接口可以支持多个等待队列，在前面已经提到一个Lock实例可以绑定多个Condition，所以自然可以支持多个等待队列了
- Condition接口支持响应中断，前面已经提到过
- Condition接口支持当前线程释放锁并进入等待状态到将来的某个时间，也就是支持定时功能
使用Condition接口配合Lock锁的使用实例如下：
Lock lock = new ReentrantLock();
Condition condition = lock.newCondition();
public void conditionWait() throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
//....
condition.await();
}finally {
lock.unlock();
}
}
public void conditionSignal(){
lock.lock();
try {
//...
condition.signal();
}finally {
lock.unlock();
}
}一般而言，都会将Condition变量作为成员变量。当调用await方法后，当前线程会释放锁并进入Condition变量的等待队列，而其他线程调用signal方法后，通知正在Condition变量等待队列的线程从await方法返回，并且在返回前已经获得了锁。
与使用Object的监视器方法达到了同样的效果，也许看不出Condition配合Lock锁的优势何在。但是在复杂多线程的编程中，这种方式可以体现出其优势。所以一般使用的时候仍然是Object的监视器方法居多。
现在我们已经知道了如何配合Condition和Lock锁实现等待/通知机制，那么我们使用这种方式实现生产者-消费者模式：
package com.rhwayfun.concurrency.r0405;
import java.text.DateFormat;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
* Created by rhwayfun on 16-4-5.
*/
public class ConditionProducerConsumerDemo {
//日期格式器
private static DateFormat format = new SimpleDateFormat("HH:mm:ss");
static class Info{
//作者
private String author;
//标题
private String title;
//是否开始生产的标志
private boolean produce = true;
//Lock锁
private Lock lock = new ReentrantLock();
//Condition变量
private Condition condition = lock.newCondition();
public Info(){}
public Info(String author, String title) {
this.author = author;
this.title = title;
}
public String getAuthor() {
return author;
}
public void setAuthor(String author) {
this.author = author;
}
public String getTitle() {
return title;
}
public void setTitle(String title) {
this.title = title;
}
/**
* 生产者执行的生产方法
* @param author
* @param title
* @throws InterruptedException
*/
public void set(String author,String title) throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
//没有开始生产就等待
while (!produce){
condition.await();
}
//如果已经开始生产
this.setAuthor(author);
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
this.setTitle(title);
//表示已经停止了生产可以取数据了
produce = false;
//通知消费者
condition.signal();
}finally {
lock.unlock();
}
}
/**
* 消费者执行的消费方法
* @throws InterruptedException
*/
public void get() throws InterruptedException {
lock.lockInterruptibly();
try {
//如果已经开始生产就等待
while (produce){
condition.await();
}
//如果没有在生产就就可以取数据
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + this.getAuthor()
+ "=" + this.getTitle() + " at "
+ format.format(new Date()));
//表示我已经取了数据，生产者可以继续生产
produce = true;
//通知生产者
condition.signal();
}finally {
lock.unlock();
}
}
}
static class Producer implements Runnable{
private Info info;
public Producer(Info info) {
this.info = info;
}
public void run() {
boolean flag = true;
for (int i = 0; i < 5; i++){
if (flag){
try {
info.set("authorA","titleA");
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + info.getAuthor() + "="
+ info.getTitle() + " at " + format.format(new Date()));
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
flag = false;
}else {
try {
info.set("authorB","titleB");
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + info.getAuthor() + "="
+ info.getTitle() + " at " + format.format(new Date()));
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
flag = true;
}
}
}
}
static class Consumer implements Runnable{
private Info info;
public Consumer(Info info) {
this.info = info;
}
public void run() {
for (int i = 0; i < 5; i++){
try {
info.get();
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Info info = new Info();
Thread producer = new Thread(new Producer(info),"Producer");
Thread consumer = new Thread(new Consumer(info),"Consumer");
producer.start();
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
consumer.start();
}
}运行结果如下：
