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java并发之Condition

在没有 Lock 之前，我们使用 synchronized 来控制同步，配合 Object 的 #wait()、#notify() 等一系列方法可以实现等待 / 通知模式。

在 Java SE 5 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：

Condition

java.util.concurrent.locks.Condition ，条件 Condition 接口，定义了一系列的方法，来对阻塞和唤醒线程：

// ========== 阻塞 ==========


// 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。
void await() throws InterruptedException; 
// 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】。
void awaitUninterruptibly(); 
// 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`nanosTimeout` 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
long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException; 
// 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。
boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException; 
// 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 。
boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException; 

// ========== 唤醒 ==========

 // 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。
void signal();
// 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。
void signalAll(); 

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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 Lock 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。

ConditionObject

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。代码如下：

public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
    /** First node of condition queue. */
    private transient Node firstWaiter; // 头节点
    /** Last node of condition queue. */
    private transient Node lastWaiter; // 尾节点
    
    public ConditionObject() {
    }

    // ... 省略内部代码
}
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ConditionObject 拥有首节点（firstWaiter），尾节点（lastWaiter）。当前线程调用 #await()方法时，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 的 Node 静态内部类）。
ConditionObject 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 Node.next 指向新增节点，然后更新 ConditionObject.lastWaiter 即可。

大体实现流程

AQS 等待队列与 Condition 队列是两个相互独立的队列

#await() 就是在当前线程持有锁的基础上释放锁资源，并新建 Condition 节点加入到 Condition 的队列尾部，阻塞当前线程 。
#signal() 就是将 Condition 的头节点移动到 AQS 等待节点尾部，让其等待再次获取锁。
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以下是 AQS 队列和 Condition 队列的出入结点的示意图，可以通过这几张图看出线程结点在两个队列中的出入关系和条件。

初始化状态：AQS等待队列有 3 个Node，Condition 队列有 1 个Node(也有可能 1 个都没有)

节点1执行 Condition.await()
- 将 head 后移
- 释放节点 1 的锁并从 AQS 等待队列中移除
- 将节点 1 加入到 Condition 的等待队列中
- 更新 lastWaiter 为节点 1
节点 2 执行 Condition.signal() 操作
- 将 firstWaiter后移
- 将节点 4 移出 Condition 队列
- 将节点 4 加入到 AQS 的等待队列中去
- 更新 AQS 的等待队列的 tail

等待

await

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，并且同时释放锁。当从 await() 方法结束时，当前线程一定是获取了Condition 相关联的锁。

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);
}
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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。
之后，则是不断检测该节点代表的线程，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。
最后，重新参与竞争，获取到同步状态。

addConditionWaiter

addConditionWaiter() 方法，加入条件队列，代码如下：

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;
}
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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，会调用 #unlinkCancelledWaiters() 方法，清除所有状态不为 Condition 的节点。

fullyRelease

fullyRelease(Node node) 方法，负责完全释放该线程持有的锁，因为例如 ReentrantLock 是可以重入的。代码如下：

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;
    }
}
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正常情况下，释放锁都能成功，因为是先调用 Lock#lock() 方法，再调用 Condition#await() 方法。

那么什么情况下会失败，抛出 IllegalMonitorStateException 异常呢？

例如，当前线程未持有锁，未调用 Lock#lock() 方法，而直接调用 Condition#await() 方法，此时就会抛出该异常。另外，释放失败的情况下，会设置 Node 的等待状态为 Node.CANCELED 。

2.1.1.3 isOnSyncQueue

#isOnSyncQueue(Node node) 方法，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 。代码如下：

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);
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}

unlinkCancelledWaiters

unlinkCancelledWaiters() 方法，负责将条件队列中状态不为 Condition 的节点删除。代码如下：

// 等待队列是一个单向链表，遍历链表将已经取消等待的节点清除出去
// 纯属链表操作，很好理解，看不懂多看几遍就可以了
private void unlinkCancelledWaiters() {
    Node t = firstWaiter;
    Node trail = null; // 用于中间不需要跳过时，记录上一个 Node 节点
    while (t != null) {
        Node next = t.nextWaiter;
        // 如果节点的状态不是 Node.CONDITION 的话，这个节点就是被取消的
        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;
    }
}
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通知

signal

调用 ConditionObject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
}
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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。然后调用 #doSignal(Node first) 方法，唤醒条件队列中的头节点。代码如下：

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);
}
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主要是做两件事：

修改头节点；
调用 #transferForSignal(Node first) 方法将节点移动到 CLH 同步队列中。代码如下：

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;
}
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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 Node.CANCEL ，或者修改状态为 Node.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(Node node, int arg) 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;
    }
}
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