Java并发研究 自己写ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock（3）
本系列是基于经验设计原型，然后不断优化最终达到和AQS（AbstractQueuedSynchronizer）类似的设计。最终结果不一定和AQS完全一致，基于个人理解会有修改，可以作为理解AQS的不完全参考。
接上篇。本篇主要介绍Condition即条件变量的实现，ReentrantLock中最后一块需要实现的内容。
在实现条件变量之前，考虑一下条件变量的一些特性。
- 条件变量依赖锁，而且是独占锁
- 执行await方法后释放锁，当前线程进入睡眠状态，等待满足条件后被其他线程signal/signalAll唤醒，被唤醒后会尝试重新获取锁
- 唤醒可以选择一个也可以全部
注意第一条特性，条件变量依赖的是独占锁，所以类似读锁这种共享锁是不支持条件变量的，ReentrantReadWriteLock中ReadLock#newCondition的实现是直接抛错。
按照第二条特性，可以得到如下的执行过程
注意ThreadA中被加粗的unlock和lock，调用条件变量的await方法时，虽然没有显式调用unlock和lock，但是内部其实是做了类似的事情的。
从第三条来看，条件变量应该是对应了一个专门的队列的，那些调用了await方法的线程会进入条件变量的队列中等待被signal。这个专门的队列和锁自身的lock/unlock等待队列不同，语义上唤醒是某个线程的signal/signalAll，而不是lock/unlock方法。如果有点难理解的话，可以考虑在上图中增加一个不调用条件变量任何方法的ThreadC，C的lock/unlock不会唤醒A，因为A等待的是B的唤醒，所以条件变量的队列和锁的lock/unlock队列是分离的，类似下图。
那么条件变量的等待队列需要设计得和锁的等待队列一样么？答案是不用。原因是假如你在await的unlock语义执行之前加入队列的话，因为条件队列依赖的是独占锁，只有一个线程可以操作condition queue。调用signal方法时，锁还没有被释放，同样只有一个线程可以操作condition queue。所以condition queue可以使用普通的同步队列设计。
基于以上初步分析之后得到的条件变量原型
import javax.annotation.Nonnull;
import java.util.Date;
import java.util.LinkedList;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.LockSupport;
public class LockWithCondition1 implements Lock {
@Override
public void lock() {
}
@Override
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
}
@Override
public boolean tryLock() {
return false;
}
@Override
public boolean tryLock(long time, @Nonnull TimeUnit unit) throws InterruptedException {
return false;
}
@Override
public void unlock() {
}
@Override
@Nonnull
public Condition newCondition() {
return new ConditionImpl();
}
@SuppressWarnings("Duplicates")
private class ConditionImpl implements Condition {
final LinkedList<WaitingThread> waitingThreads = new LinkedList<>();
@Override
public void await() throws InterruptedException {
waitingThreads.addLast(new WaitingThread(Thread.currentThread()));
unlock();
LockSupport.park(this);
lockInterruptibly();
}
@Override
public void awaitUninterruptibly() {
waitingThreads.addLast(new WaitingThread(Thread.currentThread()));
unlock();
LockSupport.park(this);
lock();
}
@Override
public long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException {
if (nanosTimeout <= 0L) {
return 0L;
}
long startAt = System.nanoTime();
waitingThreads.addLast(new WaitingThread(Thread.currentThread()));
unlock();
LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
lock();
return System.nanoTime() - startAt;
}
@Override
public boolean await(long time, @Nonnull TimeUnit unit) throws InterruptedException {
WaitingThread t = new WaitingThread(Thread.currentThread());
waitingThreads.addLast(t);
unlock();
LockSupport.parkNanos(this, unit.toNanos(time));
boolean signaled = (t.status.get() == WaitingThread.STATUS_SIGNALED || !t.abort());
lock();
return signaled;
}
@Override
public boolean awaitUntil(@Nonnull Date deadline) throws InterruptedException {
return await(deadline.getTime() - System.currentTimeMillis(), TimeUnit.MILLISECONDS);
}
@Override
public void signal() {
WaitingThread t = waitingThreads.removeFirst();
if (t != null) {
t.wakeUp();
}
}
@Override
public void signalAll() {
for (WaitingThread t : waitingThreads) {
t.wakeUp();
}
waitingThreads.clear();
}
}
private static class WaitingThread {
static final int STATUS_NORMAL = 0;
static final int STATUS_SIGNALED = 1;
static final int STATUS_ABORTED = -1;
final AtomicReference<Thread> thread;
final AtomicInteger status = new AtomicInteger(STATUS_NORMAL);
WaitingThread(@Nonnull Thread thread) {
this.thread = new AtomicReference<>(thread);
}
void wakeUp() {
if (status.compareAndSet(STATUS_NORMAL, STATUS_SIGNALED)) {
LockSupport.unpark(thread.get());
}
}
boolean abort() {
thread.set(null);
return status.compareAndSet(STATUS_NORMAL, STATUS_ABORTED);
}
}
}
这里为了只关注条件变量省去了lock的所有代码。可以看到await方法中，执行了如下操作
- enqueue(condition queue)
- unlock
- park
- lock
对应地，signal执行了如下操作
- dequeue(condition queue)
- unpark
提问，这里是否会发生signal无法唤醒await线程的情况？
考虑到enqueue和dequeue都是在持有独占锁的前提下操作的，实际可能有两种情况：
- 先dequeue
- 先enqueue
先dequeue意味着signal先执行（因为此时持有独占锁），以及队列为空，unpark不会唤醒任何线程。signal先执行等价于之后await调用不会发生，因为进入await之前的条件是满足的。执行结果正确。
先enqueue意味signal还无法执行（因为此时await的线程持有锁）。unlock之后，signal线程获取锁，发现await线程的节点，尝试unpark。这里有可能是unpark/park，也有可能是park/unpark执行序列。不管哪种，await线程都会被唤醒，尝试lock，进入lock的等待队列。signal线程释放锁之后，await线程获取锁，执行await之后的代码。执行结果正确。
可以看到，条件变量的分析比独占锁本身要容易很多，一方面这是条件变量本身的特性所致，另一方面合理利用条件变量的特性（特性一）简化了设计。
顺便说一句，设计上多个条件变量的队列互不影响，如果你看到某个锁的条件变量要求只能有一个，或者互相有影响的话，多少说明设计是有问题的。
刚才关于“先enqueue”的分析中，你是否注意到await线程被唤醒之后，由于signal线程还没有释放锁，所以await线程暂时无法获取锁，导致了一次多余的unpark/park。是否可以直接把await线程的节点从conditon queue转移到lock的等待队列？当然这样做的前提是条件变量了解lock的内部实现，由于条件变量依赖锁，所以这不是问题。
其次LockWithCondition1严格上来说在一些边界条件上不满足条件变量的语义。比如说await方法在抛出InterruptedException时必须持有锁（await返回时必须持有锁），现在的实现中lockInterruptibly在抛出InterruptedException时不持有锁。这是条件变量实现中最容易忽视的问题。
还有一些条件变量实现的细节问题，比如await的什么时候可以抛出InterruptedException。这块可以参考Condition接口本身的注释。
以下是修改版的条件变量实现。由于代码比较多，这里只展示了ConditionImpl的实现，其他代码可以参考
https://github.com/xnnyygn/concurrent-learning/tree/master/src/main/java/in/xnnyygn/concurrent/mylock
import javax.annotation.Nonnull;
import java.util.Date;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.LockSupport;
@SuppressWarnings("Duplicates")
class ConditionImpl implements Condition {
private final MyLock lock;
private final ConditionQueue conditionQueue = new ConditionQueue();
ConditionImpl(MyLock lock) {
this.lock = lock;
}
@Override
public void await() throws InterruptedException {
Node node = Node.createConditionForCurrent();
conditionQueue.enqueue(node);
lock.unlock();
boolean interrupted = false;
while (nodeNotLockEnqueued(node)) {
LockSupport.park(this);
/*
* 1. interrupted, unknown
* 2. predecessor is aborted, lock enqueued
* 3. signaled by predecessor, lock enqueued
*/
if (Thread.interrupted()) {
interrupted = lockEnqueueByAwaitingThread(node);
break;
}
}
if (lock.acquireUninterruptibly(node) && !interrupted) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
if (interrupted) {
conditionQueue.removeNonConditionNodes();
throw new InterruptedException();
}
}
@Override
public void awaitUninterruptibly() {
Node node = Node.createConditionForCurrent();
conditionQueue.enqueue(node);
lock.unlock();
boolean interrupted = false;
while (nodeNotLockEnqueued(node)) {
LockSupport.park(this);
if (Thread.interrupted()) {
interrupted = true;
}
}
if (lock.acquireUninterruptibly(node) || interrupted) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
}
@Override
public long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException {
if (nanosTimeout <= 0L) {
return 0L;
}
Node node = Node.createConditionForCurrent();
conditionQueue.enqueue(node);
lock.unlock();
long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout;
long nanos = nanosTimeout;
boolean interrupted = false;
while (nodeNotLockEnqueued(node)) {
LockSupport.parkNanos(this, nanos);
nanos = deadline - System.nanoTime();
if (Thread.interrupted()) {
interrupted = lockEnqueueByAwaitingThread(node);
break;
}
if (nanos <= 0L) {
lockEnqueueByAwaitingThread(node);
break;
}
}
if (lock.acquireUninterruptibly(node) && !interrupted) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
if (interrupted || nanos <= 0L) {
conditionQueue.removeNonConditionNodes();
}
if (interrupted) {
throw new InterruptedException();
}
return nanos;
}
@Override
public boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
return awaitNanos(unit.toNanos(time)) > 0;
}
@Override
public boolean awaitUntil(@Nonnull Date deadline) throws InterruptedException {
return awaitNanos(TimeUnit.MILLISECONDS.toNanos(deadline.getTime() - System.currentTimeMillis())) > 0;
}
@Override
public void signal() {
Node node;
do {
node = conditionQueue.dequeue();
if (node == null) {
return;
}
} while (!lockEnqueueBySignalingThread(node));
}
@Override
public void signalAll() {
Node node;
while ((node = conditionQueue.dequeue()) != null) {
lockEnqueueBySignalingThread(node);
}
}
private boolean nodeNotLockEnqueued(@Nonnull Node node) {
if (node.status.get() == Node.STATUS_CONDITION || node.predecessor.get() == null) {
return true;
}
if (node.successor.get() != null) {
return false;
}
// status == NORMAL
return !lock.queue.contains(node);
}
private boolean lockEnqueueByAwaitingThread(@Nonnull Node node) {
if (node.status.compareAndSet(Node.STATUS_CONDITION, Node.STATUS_NORMAL)) {
lock.queue.enqueue(node);
return true;
}
// enqueuing by signal thread
while (!lock.queue.contains(node)) {
Thread.yield();
}
return false;
}
private boolean lockEnqueueBySignalingThread(@Nonnull Node node) {
if (!node.status.compareAndSet(Node.STATUS_CONDITION, Node.STATUS_NORMAL)) {
return false;
}
Node predecessor = lock.queue.enqueue(node);
if (predecessor.isAborted() || !predecessor.status.compareAndSet(Node.STATUS_NORMAL, Node.STATUS_SIGNAL)) {
// predecessor is aborted
LockSupport.unpark(node.thread.get());
}
return true;
}
}
在分析修改版的await之前，解释一下这里的Node。MyLock使用的Node和AQS一样，可同时用于condition queue和lock queue。这样做只是为了复用Node，你也可以选择和LockWithCondition1一样，分开使用condition queu的节点和lock queue的节点。condition queue中主要使用Node的thread，status和next，lock queue使用除next以外所有字段。为了区分condition queue和lock queue的节点，condition queue的节点一开始的状态是STATUS_CONDITION，相对的，lock queue中节点一开始为STATUS_NORMAL。前篇提到过Node中status的迁移图，不包括STATUS_CONDITION。事实上加入lock queue时节点的status不可能为STATUS_CONDITION。STATUS_CONDITION只是condition queue中的状态，这点请注意。
condition queue中节点的status只有一种迁移
STATUS_CONDITION -> STATUS_NORMAL
可能的情况有
- signal
- signalAll
- await超时
- 中断
为什么不区分异常情况？原因是异常状态是也需要加入lock queue，此时status必须是STATUS_NORMAL。你不能把一个STATUS_ABORTED的节点加入lock queue，这样你就没办法获取锁了。重申一遍，条件变量的语义中不管是正常返回，还是await超时，中断，返回时必须持有锁。
由于以上原因，status迁移只有一种。考虑到signal/signalAll时signal线程执行状态迁移，await超时和中断时await线程执行状态迁移，status迁移还必须是CAS。
condition queue的具体实现在类ConditionQueue中，这个类现阶段有3个方法
- enqueue
- removeNonConditionNodes
- dequeue
enqueue很好理解，removeNonConditionNodes主要用于在await超时和中断移除await线程的节点的。注意，只是从condition queue中移除，之后会放到lock queue中去。dequeue就是正常情况从condition queue中移除下一个节点，之后放到lock queue中去。
在上述前提下理解await和signal方法。
首先看最简单的signal方法。从condition queue中取出一个节点，如果没有节点就直接返回。有的话尝试状态迁移，失败的话，说明await线程自己修改了状态（状态迁移的情况3和4），signal会尝试下一个节点。如果状态迁移成功，此时按照前篇的要求，设置前置节点status为STATUS_SIGNAL。如果前置节点放弃了，或者CAS过程中失败了（意味着前置节点放弃了），此时signal线程能做的事情就是唤醒await线程，让await线程自己跳过放弃的前置节点。
signal线程是否可以帮await线程的节点跳过放弃的节点而不是unpark await线程？这样可以帮忙省去一次unpark/park。
回答是请分析哪些是signal线程可以做的，哪些是await线程可以做的。
从MyLock是基于CLHLock实现这点来说，设置前置节点的status是后继节点对应的线程，即await线程该做的事情。所以signal线程这里设置前置节点的status其实不是它的职责，这里个人觉得是为了减少一般情况下的unpark/park。如果碰到前置节点是放弃了的节点还考虑帮忙跳过的话，有点舍本逐末了。
signalAll和signal类似，这里不再赘述。
接下来是相对简单的awaitUninterruptibly。为什么不是await？因为await对于中断的处理有点微妙。awaitUninterruptibly不处理中断，准确来说是，碰到中断，只会重新设置中断状态。这样关注点就可以集中到中断处理以外的部分。
awaitUninterruptibly的基本流程和LockWithCondition1有所不同。考虑到park会响应中断，需要把park放在一个循环中，记录中断状态。跳过循环的唯一条件是节点已经被加入lock queue。
判断是否已加入lock queue的最直接的方法（nodeNotLockEnqueued最后）是从tail检查节点是否存在。其次是检查进入lock queue之后才会被使用的字段，比如successor。假如successor被设置，那么节点肯定被加入了lock queue。还有一种提前判断的方法，节点自身的状态。如果节点status是STATUS_CONDITION或者进入lock queue后才会被使用的predecessor字段没有被设置的话，可以断言节点还没有加入lock queue。
awaitUninterruptibly中跳出循环之后，执行acquireUninterruptibly。在AQS中这个方法被叫做acquireQueued。从行为上这个acquireXXX方法在节点被加入lock queue后执行。其次，会记录acquire过程中的中断，但是不会因为中断而停止尝试获取锁。await系列方法其实需要的就是这种获取模式，不会因为中断而放弃获取的方式。
不管是acquireUninterruptibly还是循环过程中被中断，awaitUninterruptibly最终只会重新设置中断标志，除此以外什么都不做。
在理解了acquireUninterruptibly之后，看一下await方法。
相比于await方法，循环有两个出口。一个是由signal线程放到lock queue的条件，另外一个是中断。中断时，await线程会自己尝试把节点加入lock queue。从两个lockEnqueueByXXXThread方法可以看出，存在两个线程同时把节点放入lock queue的可能性。假如signal线程先放进lock queue，那么await在CAS这一步（lockEnqueueByAwaitingThread第一行）会失败，这时必须等待signal线程enqueue操作的完成（通过yield）。假如await线程先放进lock queue，那么signal线程会失败，现有逻辑中signal线程会尝试唤醒下一个节点。
注意这里的await和AQS的await方法有些许不同。AWS的await在await线程先放入lock queue时最后会抛出InterruptedException，但是在signal线程先放入的话，会设置中断状态。这里的await，在await线程先放入时同样会抛出异常，但是在signal线程先放入的话，不会设置中断状态。这里其实有一个边界问题，在中断时恰好被signal时算不算中断？个人觉得可以不算，要算也是以留下证据为目的。
跳出循环之后，同样调用acquireUninterruptibly，按情况设置中断标志。最后在确认是中断了的情况下，从condition queue中移除自己的节点，并抛出异常。注意这里，移除节点时持有独占锁，其次，中断不代表节点仍旧在condition queue里面。一种情况是await线程比同时执行的signal先CAS成功。
考虑到这里的await和AWS的await相比还是有点差异的，如果你对于改造不太放心的话，在理解的前面内容的基础上，相信你能修改成AQS的语义。
最后是几个限时await方法，这里全部引导到同一个限时方法awaitNanos上。主体流程和await很像，有一点不同是剩余时间的处理。个人理解awaitNanos的返回值代表是是否超时，所以不能简单把timeout减去执行时间返回去调用方。具体代码这里不再分析。
小结
总体来说，条件变量比起独占锁本身要简单。因为可以借助条件变量的特性使用同步队列。另一方面，条件变量实现中也有比较细节的问题需要考虑。
至此，ReentrantLock的实现算是真正完成了。接下来是ReentrantReadWriteLock的实现。
正文到此结束
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