Java多線程Condition介面原理詳解__java

Condition介面提供了類似Object的監視器方法，與Lock配合可以實現等待/通知模式，但是這兩者在使用方式以及功能特性上還是有差別的
Condition介面詳解

Condition定義了等待/通知兩種類型的方法，當前線程調用這些方法時，需要提前擷取到Condition對象關聯的鎖。Condition對象是由Lock對象（調用Lock對象的newCondition()方法）建立出來的，換句話說，Condition是依賴Lock對象的。

Lock lock = new ReentrantLock();    Condition condition = lock.newCondition();    public void conditionWait() throws InterruptedException {        lock.lock();        try {            condition.await();        } finally {            lock.unlock();        }    }    public void conditionSignal() throws InterruptedException {        lock.lock();        try {            condition.signal();        } finally {            lock.unlock();        }    }

一般都會將Condition對象作為成員變數。當調用await()方法後，當前線程會釋放鎖並在此等待，而其他線程調用Condition對象的signal()方法，通知當前線程後，當前線程才從await()方法返回，並且在返回前已經擷取了鎖。

    /**     * 當前線程進入等待狀態直到被通知(signal)或中斷，當前線程進入後台運行狀態且從await()方法返回     * 其他線程調用該Condition的signal或者signalAll方法，而當前線程被選中喚醒     * 1、其他線程（interrupt）中斷當前線程     * 2、如果當前等待線程從await方法返回，那麼表明當前線程已經擷取了Condition對象的鎖     */    void await() throws InterruptedException;    /**     * 當前線程進入等待狀態直到被通知，對中斷不響應     */    void awaitUninterruptibly();    /**     *  <pre> {@code     * boolean aMethod(long timeout, TimeUnit unit) {     *   long nanos = unit.toNanos(timeout);     *   lock.lock();     *   try {     *     while (!conditionBeingWaitedFor()) {     *       if (nanos <= 0L)     *         return false;     *       nanos = theCondition.awaitNanos(nanos);     *     }     *     // ...     *   } finally {     *     lock.unlock();     *   }     * }}</pre>     * 當前線程進入等待狀態直到被通知、中斷或逾時。傳回值表示剩餘時間，如果在nanosTimeout納秒之前被喚醒，那麼傳回值就是nanosTimeout-實際耗時     * 傳回值<=0說明逾時     *      */    long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;    /**     * 當前線程進入等待狀態直到被通知、中斷或逾時，如果沒有到指定時間被通知返回true，否則返回false     */    boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;    /**     * 喚醒一個等待在Condition上的線程，該線程從等待方法返回之前必須獲得與Condition相關聯的鎖     */    void signal();

擷取一個Condition必須通過Lock的newCondition()方法。下面通過一個有界隊列的樣本來深入瞭解Condition的使用方式。有界隊列是一種特殊的隊列，當隊列為空白時，隊列的擷取操作將會阻塞擷取線程，直到隊列中有新增元素，當隊列已滿時，隊列的插入操作將會阻塞插入線程，直到隊列出現“空位”

public class BoundedQueue<T> {    private Object[] items;    // 添加的下標，刪除的下標和數組當前數量    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];    }    /**     * 添加一個元素，如果數組滿，則添加線程進入等待狀態，直到有"空位"     * @author fuyuwei     * 2017年5月21日 下午6:14:55     * @param t     * @throws InterruptedException     */    public void add(T t) throws InterruptedException{        lock.lock();        try{            while(count == items.length){                notFull.await();            }            items[addIndex] = t;            if(++addIndex == items.length)                addIndex = 0;            ++count;            notEmpty.signal();        }finally{            lock.unlock();        }    }    /**     * 由頭部刪除一個元素，如果數組空，則刪除線程進入等待狀態，直到有新添加元素     * @author fuyuwei     * 2017年5月21日 下午6:20:54     * @return     * @throws InterruptedException     */    @SuppressWarnings("unchecked")    public T remove() throws InterruptedException{        lock.lock();        try{            while(count == 0)                notEmpty.await();            Object x = items[removeIndex];            if(++removeIndex == items.length)                removeIndex = 0;            --count;            notFull.signal();            return (T)x;        }finally{            lock.unlock();        }    }}

首先需要獲得鎖，目的是確保數組修改的可見度和排他性。當數組數量等於數組長度時，表示數組已滿，則調用notFull.await()，當前線程隨之釋放鎖並進入等待狀態。如果數組數量不等於數組長度，表示數組未滿，則添加元素到數組中，同時通知等待在notEmpty上的線程，數組中已經有新元素可以擷取。在添加和刪除方法中使用while迴圈而非if判斷，目的是防止過早或意外的通知，只有條件符合才能夠退出迴圈。回想之前提到的等待/通知的經典範式，二者是非常類似的 Condition原理分析

ConditionObject是同步器AbstractQueuedSynchronizer的內部類，因為Condition的操作需要擷取相關聯的鎖，所以作為同步器的內部類也較為合理。每個Condition對象都包含著一個隊列，該隊列是Condition對象實現等待/通知功能的關鍵。下面將分析Condition的實現，主要包括：等待隊列、等待和通知 等待隊列

等待隊列是一個FIFO的隊列，在隊列中的每個節點都包含了一個線程引用，該線程就是在Condition對象上等待的線程，如果一個線程調用了Condition.await()方法，那麼該線程將會釋放鎖、構造成節點加入等待隊列並進入等待狀態
一個Condition包含一個等待隊列，Condition擁有首節點（firstWaiter）和尾節點（lastWaiter）。當前線程調用Condition.await()方法，將會以當前線程構造節點，並將節點從尾部加入等待隊列，等待隊列的基本結構如下圖所示

如圖所示，Condition擁有首尾節點的引用，而新增節點只需要將原有的尾節點nextWaiter指向它，並且更新尾節點即可。上述節點引用更新的過程並沒有使用CAS保證，原因在於調用await()方法的線程必定是擷取了鎖的線程，也就是說該過程是由鎖來保證安全執行緒的。在Object的監視器模型上，一個對象擁有一個同步隊列和等待隊列，而並發包中的Lock（更確切地說是同步器）擁有一個同步隊列和多個等待隊列，其對應關係如下圖所示
等待

調用Condition的await()方法（或者以await開頭的方法），會使當前線程進入等待隊列並釋放鎖，同時線程狀態變為等待狀態。當從await()方法返回時，當前線程一定擷取了Condition相關聯的鎖。如果從隊列（同步隊列和等待隊列）的角度看await()方法，當調用await()方法時，相當於同步隊列的首節點（擷取了鎖的節點）移動到Condition的等待隊列中

public final void await() throws InterruptedException {        if (Thread.interrupted())            throw new InterruptedException();        // 當前線程加入等待隊列        Node node = addConditionWaiter();        // 釋放同步狀態，也就是釋放鎖        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);    }

調用該方法的線程成功擷取了鎖的線程，也就是同步隊列中的首節點，該方法會將當前線程構造成節點並加入等待隊列中，然後釋放同步狀態，喚醒同步隊列中的後繼節點，然後當前線程會進入等待狀態。當等待隊列中的節點被喚醒，則喚醒節點的線程開始嘗試擷取同步狀態。如果不是通過其他線程調用Condition.signal()方法喚醒，而是對等待線程進行中斷，則會拋出InterruptedException 通知

調用Condition的signal()方法，將會喚醒在等待隊列中等待時間最長的節點（首節點），在喚醒節點之前，會將節點移到同步隊列中

public final void signal() {        if (!isHeldExclusively())            throw new IllegalMonitorStateException();        Node first = firstWaiter;        if (first != null)            doSignal(first);    }

調用該方法的前置條件是當前線程必須擷取了鎖，可以看到signal()方法進行了isHeldExclusively()檢查，也就是當前線程必須是擷取了鎖的線程。接著擷取等待隊列的首節點，將其移動到同步隊列並使用LockSupport喚醒節點中的線程
節點從等待隊列移動到同步隊列的過程如下圖所示

通過調用同步器的enq(Node node)方法，等待隊列中的前端節點安全執行緒地移動到同步隊列。當節點移動到同步隊列後，當前線程再使用LockSupport喚醒該節點的線程。被喚醒後的線程，將從await()方法中的while迴圈中退出（isOnSyncQueue(Node node)方法返回true，節點已經在同步隊列中），進而調用同步器的acquireQueued()方法加入到擷取同步狀態的競爭中。成功擷取同步狀態（或者說鎖）之後，被喚醒的線程將從先前調用的await()方法返回，此時該線程已經成功地擷取了鎖。Condition的signalAll()方法，相當於對等待隊列中的每個節點均執行一次signal()方法，效果就是將等待隊列中所有節點全部移動到同步隊列中，並喚醒每個節點的線程。