Condition接口及实现原理

Condition接口

第一节 简介

任意一个Java对象，都拥有一组监视器方法（定义在 java.lang.Object 上），主要包括 wait() 、wait(long timeout) 、notify() 以及 notifyAll() 方法，这些方法与 synchronized 同步关键字配合，可以实现等待/通知模式。

Condition 接口也提供了类似 Object 的监视器方法，与Lock配合可以实现等待/通知模式，但是这两者在使用方式以及功能特性上还是有差别的。

通过对比 Object 的监视器方法和 Condition 接口，可以更详细地了解 Condition 的特性，对比项与结果如下表所示。

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第二节 接口与示例

Condition定义了等待/通知两种类型的方法，当前线程调用这些方法时，需要提前获取到Condition对象关联的锁。Condition对象是由Lock对象（调用Lock对象的 newCondition() 方法）创建出来的，换句话说，Condition是依赖Lock对象的。

Condition的使用方式比较简单，需要注意在调用方法前获取锁，使用方式如下列代码所示。

// 1.获取锁对象
Lock lock = new ReentrantLock();
// 2.获得condition对象
   Condition condition = lock.newCondition();

   public void conditionWait() throws InterruptedException {
       //拿到锁
       lock.lock();
       try {
           //调用condition，使当前线程进入等待状态
           condition.await();
       } finally {
           lock.unlock();
       }
   }

   public void conditionSignal() throws InterruptedException {
       lock.lock();
       try {
           //调用condition，唤醒一个等待状态的线程
           condition.signal();
       } finally {
           lock.unlock();
       }
   }

如示例所示，一般都会将Condition对象作为成员变量。当调用 await() 方法后，当前线程会释放锁并在此等待，而其他线程调用Condition对象的 signal() 方法，通知当前线程后，当前线程才从 await() 方法返回，并且在返回前已经获取了锁。

Condition定义的（部分）方法以及描述如下表所示。

获取一个Condition必须通过Lock的 newCondition() 方法。下面通过一个有界队列的示例来深入了解Condition的使用方式。有界队列是一种特殊的队列，当队列为空时，队列的获取操作将会阻塞获取线程，直到队列中有新增元素，当队列已满时，队列的插入操作将会阻塞插入线程，直到队列出现“空位”，如下列代码所示。

public class BoundedQueue<T> {
    private Object[] items;
    // 添加的下标，删除的下标和数组当前数量
    private int addIndex, removeIndex, count;
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    private Condition notEmpty = lock.newCondition();
    private Condition notFull = lock.newCondition();
    public BoundedQueue(int size) {
        items = new Object[size];
    }
    // 添加一个元素，如果数组满，则添加线程进入等待状态，直到有"空位"
    public void add(T t) throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (count == items.length)
                notFull.await(); //数组已满，调用notFull使当前线程等待
            items[addIndex] = t;
            if (++addIndex == items.length)
                addIndex = 0;
            ++count;
            notEmpty.signal();//已有新元素入列，唤醒等待读取的线程
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    // 由头部删除一个元素，如果数组空，则删除线程进入等待状态，直到有新添加元素
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public T remove() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (count == 0)
                notEmpty.await();//队列为空，当前读取线程等待
            Object x = items[removeIndex];
            if (++removeIndex == items.length)
                removeIndex = 0;
            --count;
            notFull.signal();//队列多出一个空位，唤醒等待的添加线程
            return (T) x;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

上述示例中，BoundedQueue通过 add(T t) 方法添加一个元素，通过 remove() 方法移出一个元素。以添加方法为例。

首先需要获得锁，目的是确保数组修改的可见性和排他性。当数组数量等于数组长度时，表示数组已满，则调用 notFull.await() ，当前线程随之释放锁并进入等待状态。如果数组数量不等于数组长度，表示数组未满，则添加元素到数组中，同时通知等待在 notEmpty 上的线程，数组中已经有新元素可以获取。

在添加和删除方法中使用while循环而非if判断，目的是防止过早或意外的通知，只有条件符合才能够退出循环。回想之前提到的等待/通知的经典范式，二者是非常类似的。

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第三节 实现分析

ConditionObject 是队列同步器 AbstractQueuedSynchronizer 的内部类，实现了 Condition 接口，因为Condition的操作需要获取相关联的锁，所以作为同步器的内部类也较为合理。每个Condition对象都包含着一个队列（以下称为等待队列），该队列是Condition对象实现等待/通知功能的关键。

下面将分析Condition的实现，主要包括：等待队列、等待和通知，下面提到的Condition如果不加说明均指的是 ConditionObject 。

3.1 等待队列

等待队列是一个FIFO的队列，在队列中的每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 Condition.await() 方法，那么该线程将会释放锁、构造成节点加入等待队列并进入等待状态。事实上，节点的定义复用了同步器中节点的定义，也就是说，同步队列和等待队列中节点类型都是同步器的静态内部类 AbstractQueuedSynchronizer.Node 。

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，将会以当前线程构造节点，并将节点从尾部加入等待队列，等待队列的基本结构如下图所示。

如图所示，Condition 拥有首尾节点的引用，而新增节点只需要将原有的尾节点 nextWaiter 指向它，并且更新尾节点即可。上述节点引用更新的过程并没有使用CAS保证，原因在于调用 await() 方法的线程必定是获取了锁的线程，也就是说该过程是由锁来保证线程安全的。

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，而并发包中的Lock（更确切地说是同步器）拥有一个同步队列和多个等待队列，其对应关系如下图所示。

如图所示，Condition的实现是同步器的内部类，因此每个Condition实例都能够访问同步器提供的方法，相当于每个Condition都拥有所属同步器的引用。

3.2 等待

调用 Condition 的 await() 方法（或者以 await 开头的方法），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。当从 await() 方法返回时，当前线程一定获取了 Condition 相关联的锁。

如果从队列（同步队列和等待队列）的角度看 await() 方法，当调用 await() 方法时，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。

Condition 的 await() 方法，如下列代码所示。

public final void await() throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
    	throw new InterruptedException();
    // 当前线程加入等待队列
    Node node = addConditionWaiter();
    // 释放同步状态，也就是释放锁
    int 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)
        unlinkCancelledWaiters();
    if (interruptMode != 0)
        reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}

private Node addConditionWaiter() {
    //获取等待队列的尾结点
    Node t = lastWaiter;
    // If lastWaiter is cancelled, clean out.
    if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
        unlinkCancelledWaiters();
        t = lastWaiter;
    }
    //构建新的等待节点，并加入等待队列
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
    if (t == null)
        firstWaiter = node;
    else
        t.nextWaiter = node;
    lastWaiter = node;
    return node;
}

调用该方法的线程成功获取了锁的线程，也就是同步队列中的首节点，该方法会将当前线程构造成节点并加入等待队列中，然后释放同步状态，唤醒同步队列中的后继节点，然后当前线程会进入等待状态。

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。如果不是通过其他线程调用 Condition.signal() 方法唤醒，而是对等待线程进行中断，则会抛出 InterruptedException 。

如果从队列的角度去看，当前线程加入 Condition 的等待队列，该过程如下图示。

如图所示，同步队列的首节点并不会直接加入等待队列，而是通过 addConditionWaiter() 方法把当前线程构造成一个新的节点并将其加入等待队列中。

3.3 通知

调用 Condition 的 signal() 方法，将会唤醒在等待队列中等待时间最长的节点（首节点），在唤醒节点之前，会将节点移到同步队列中。

Condition 的 signal() 方法，如下列代码所示。

	public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
      
public final void signal() {
      	//当前线程必须是获取了锁的线程
  		if (!isHeldExclusively())
      		throw new IllegalMonitorStateException();
  		Node first = firstWaiter;
  		if (first != null)
      		doSignal(first);
}

      private void doSignal(Node first) {
          do {
              if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
                  lastWaiter = null;
              first.nextWaiter = null;
          } while (!transferForSignal(first) &&
                   (first = firstWaiter) != null);
      }
  }

  final boolean transferForSignal(Node node) {
      /*
       * If cannot change waitStatus, the node has been cancelled.
       */
      if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
          return false;

      /*
       * Splice onto queue and try to set waitStatus of predecessor to
       * indicate that thread is (probably) waiting. If cancelled or
       * attempt to set waitStatus fails, wake up to resync (in which
       * case the waitStatus can be transiently and harmlessly wrong).
       */
      Node p = enq(node);
      int ws = p.waitStatus;
      if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
          LockSupport.unpark(node.thread);
      return true;
  }

调用该方法的前置条件是当前线程必须获取了锁，可以看到 signal() 方法进行了 isHeldExclusively() 检查，也就是当前线程必须是获取了锁的线程。接着获取等待队列的首节点，将其移动到同步队列并使用 LockSupport 唤醒节点中的线程。

节点从等待队列移动到同步队列的过程如下图所示。

通过调用同步器的 enq(Node node) 方法，等待队列中的头节点线程安全地移动到同步队列。当节点移动到同步队列后，当前线程再使用 LockSupport 唤醒该节点的线程。

被唤醒后的线程，将从 await() 方法中的while循环中退出（ isOnSyncQueue(Node node) 方法返回true，节点已经在同步队列中），进而调用同步器的 acquireQueued() 方法加入到获取同步状态的竞争中。

成功获取同步状态（或者说锁）之后，被唤醒的线程将从先前调用的 await() 方法返回，此时该线程已经成功地获取了锁。

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，效果就是将等待队列中所有节点全部移动到同步队列中，并唤醒每个节点的线程。

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参考博客和文章书籍等：

《Java并发编程的艺术》

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