Java多线程——Condition条件

简介

Condition中的await()方法相当于Object的wait()方法，Condition中的signal()方法相当于Object的notify()方法，Condition中的signalAll()相当于Object的notifyAll()方法。

不同的是，Object中的wait(),notify(),notifyAll()方法是和"同步锁"(synchronized关键字)捆绑使用的；而Condition是需要与"互斥锁"/"共享锁"捆绑使用的。

简单应用：

Condition的实现分析

Condition是同步器AbstractQueuedSynchronized的内部类，因为Condition的操作需要获取相关的锁，所以作为同步器的内部类比较合理。每个Condition对象都包含着一个队列（等待队列），该队列是Condition对象实现等待/通知功能的关键。

等待队列：

等待队列是一个FIFO的队列，队列的每一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await()方法，该线程就会释放锁、构造成节点进入等待队列并进入等待状态。

这里的节点定义也就是AbstractQueuedSynchronizer.Node的定义。

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()方法时，将会以当前线程构造节点，并将节点从尾部加入等待队列。

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Lock（同步器）拥有一个同步队列和多个等待队列。

等待（await）：

调用Condition的await()方法，会使当前线程进入等待队列并释放锁，同时线程状态变为等待状态。

从队列的角度来看，相当于同步队列的首节点（获取了锁的节点）移动到Condition的等待队列中。

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Condition.signal()方法唤醒，而是对等待线程进行中断，则抛出InterruptedException。

public final void await() throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    // 添加至等待队列中
    Node node = addConditionWaiter();
    // 释放同步状态，释放锁
    long 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);
}

通知（signal）：

调用Condition的signal()方法，将会唤醒在等待队列中从首节点开始搜索未解除Condition的节点，在唤醒节点之前，会将节点移到同步队列中。

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，将等待队列中的节点全部移动到同步队列中，并唤醒每个节点的线程。

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);
}

栗子

经典问题，消费者/生产者：

package ConsumerAndProduce;

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

/**
 * Created by zhengbinMac on 2017/2/20.
 */
class Depot {
    private int capacity;
    private int size;
    private Lock lock;
    private Condition consumerCond;
    private Condition produceCond;

    public Depot(int capacity) {
        this.capacity = capacity;
        this.size = 0;
        this.lock = new ReentrantLock();
        this.consumerCond = lock.newCondition();
        this.produceCond = lock.newCondition();
    }

    public void produce(int val) {
        lock.lock();
        try {
            int left = val;
            while (left > 0) {
                while (size >= capacity) {
                    produceCond.await();
                }
                int produce = (left+size) > capacity ? (capacity-size) : left;
                size += produce;
                left -= produce;
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ", ProduceVal=" + val + ", produce=" + produce + ", size=" + size);
                consumerCond.signalAll();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void consumer(int val) {
        lock.lock();
        try {
            int left = val;
            while (left > 0) {
                while (size <= 0) {
                    consumerCond.await();
                }
                int consumer = (size <= left) ? size : left;
                size -= consumer;
                left -= consumer;
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ", ConsumerVal=" + val + ", consumer=" + consumer + ", size=" + size);
                produceCond.signalAll();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}
class Consumer {
    private Depot depot;
    public Consumer(Depot depot) {
        this.depot = depot;
    }

    public void consumerThing(final int amount) {
        new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                depot.consumer(amount);
            }
        }).start();
    }
}
class Produce {
    private Depot depot;
    public Produce(Depot depot) {
        this.depot = depot;
    }

    public void produceThing(final int amount) {
        new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                depot.produce(amount);
            }
        }).start();
    }
}
public class Entrepot {
    public static void main(String[] args) {
        // 仓库
        Depot depot = new Depot(100);
        // 消费者
        Consumer consumer = new Consumer(depot);
        // 生产者
        Produce produce = new Produce(depot);
        produce.produceThing(5);
        consumer.consumerThing(5);
        produce.produceThing(2);
        consumer.consumerThing(5);
        produce.produceThing(3);
    }
}

某次输出：

Thread-0, ProduceVal=5, produce=5, size=5
Thread-1, ConsumerVal=5, consumer=5, size=0
Thread-2, ProduceVal=2, produce=2, size=2
Thread-3, ConsumerVal=5, consumer=2, size=0
Thread-4, ProduceVal=3, produce=3, size=3
Thread-3, ConsumerVal=5, consumer=3, size=0

输出结果中，Thread-3出现两次，就是因为要消费5个产品，但仓库中只有2个产品，所以先将库存的2个产品全部消费，然后这个线程进入等待队列，等待生产，随后生产出了3个产品，生产者生产后又执行signalAll方法将等待队列中所有的线程都唤醒，Thread-3继续消费还需要的3个产品。

参考资料：

《Java并发编程的艺术》 - 5.6 Condition接口

Java多线程系列--“JUC锁”06之 Condition条件