Java并发编程之Condition详解

简介

在Java程序中，任意一个Java对象，都拥有一组监视器方法（定义在java.lang.Object类上），主要包括wait()、wait(long)、notify()、notifyAll()方法，这些方法与synchronized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区别的。Object的监视器方法与Condition接口对比如下：

对比项	Object监视器方法	Condition
前置条件	获取对象的监视器锁	调用Lock.lock()获取锁调用Lock.newCondition()获取Condition对象
调用方法	直接调用如：object.wait()	直接调用如：condition.await()
等待队列个数	一个	多个
当前线程释放锁并进入等待队列	支持	支持
当前线程释放锁并进入等待队列，在等待状态中不响应中断	不支持	支持
当前线程释放锁并进入超时等待状态	支持	支持
当前线程释放锁并进入等待状态到将来的某个时间	不支持	支持
唤醒等待队列中的一个线程	支持	支持
唤醒等待队列中的全部线程	支持	支持

Condition提供了一系列的方法来对阻塞和唤醒线程：

public interface Condition {
    void await() throws InterruptedException;
    void awaitUninterruptibly();
    long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;
    boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;
    void signal();
    void signalAll();
}

Condition的方法以及描述如下：

方法名称	描述
void await() throws InterruptedException	当前线程进入等待状态直到被通知（signal）或中断。
void awaitUninterruptibly()	当前线程进入等待状态直到被通知，该方法不响应中断。
long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException	当前线程进入等待状态直到被通知、中断或者超时，返回值表示剩余超时时间。
boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException	当前线程进入等待状态直到被通知、中断或者到某个时间。如果没有到指定时间就被通知，方法返回true，否则，表示到了指定时间，返回false。
void signal()	唤醒一个等待在Condition上的线程，该线程从等待方法返回前必须获得与Condition相关联的锁。
void signalAll()	唤醒所有等待在Condition上的线程，能够从等待方法返回的线程必须获得与Condition相关联的锁。

Condition的实现分析

可以通过Lock.newCondition()方法获取Condition对象，而我们知道Lock对于同步状态的实现都是通过内部的自定义同步器实现的，newCondition()方法也不例外，所以，Condition接口的唯一实现类是同步器AQS的内部类ConditionObject，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也比较合理，该类定义如下：

public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable

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。

等待队列

等待队列是一个FIFO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AQS中Node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AQS的静态内部类AbstractQueuedSynchronized.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()方法之后，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：

Condition拥有首尾节点的引用，而新增节点只需要将原来的尾节点nextWaiter指向它，并且更新尾节点即可。上述更新过程不需要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：

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。

等待

调用Condition的await()方法会使当前线程进入等待状态，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：

public final void await() throws InterruptedException {
    // 检测线程中断状态
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    // 将当前线程包装为Node节点加入等待队列
    Node node = addConditionWaiter();
    // 释放同步状态，也就是释放锁
    int savedState = fullyRelease(node);
    int interruptMode = 0;
    // 检测该节点是否在同步队中，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
    while (!isOnSyncQueue(node)) {
        // 挂起线程
        LockSupport.park(this);
        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
            break;
    }
    // 竞争同步状态
    if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
        interruptMode = REINTERRUPT;
    // 清理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);
}

调用该方法的线程是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。

加入等待队列是通过addConditionWaiter()方法来完成的：

private Node addConditionWaiter() {
    // 尾节点
    Node t = lastWaiter;
    // 尾节点如果不是CONDITION状态，则表示该节点不处于等待状态，需要清理节点
    if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
        unlinkCancelledWaiters();
        t = lastWaiter;
    }
    // 根据当前线程创建Node节点
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
    // 将该节点加入等待队列的末尾
    if (t == null)
        firstWaiter = node;
    else
        t.nextWaiter = node;
    lastWaiter = node;
    return node;
}

如果从队列的角度看，当前线程加入到Condition的等待队列，如下图所示：

将当前线程加入到等待队列之后，需要释放同步状态，该操作通过fullyRelease(Node)方法来完成：

final int fullyRelease(Node node) {
    boolean failed = true;
    try {
        // 获取同步状态
        int savedState = getState();
        // 释放锁
        if (release(savedState)) {
            failed = false;
            return savedState;
        } else {
            throw new IllegalMonitorStateException();
        }
    } finally {
        if (failed)
            node.waitStatus = Node.CANCELLED;
    }
}

线程释放锁之后，我们需要通过isOnSyncQueue(Node)方法不断自省地检查其对应节点是否在同步队列中：

final boolean isOnSyncQueue(Node node) {
    // 节点状态为CONDITION，或者前驱节点为null，返回false
    if (node.waitStatus == Node.CONDITION || node.prev == null)
        return false;
    // 后继节点不为null，那么肯定在同步队列中
    if (node.next != null) // If has successor, it must be on queue
        return true;
    
    return findNodeFromTail(node);
}

若节点不在同步队列中，则挂起当前线程，若线程在同步队列中，且获取了同步状态，可能会调用unlinkCancelledWaiters()方法来清理等待队列中不为CONDITION 状态的节点：

private void unlinkCancelledWaiters() {
    Node t = firstWaiter;
    Node trail = null;
    while (t != null) {
        Node next = t.nextWaiter;
        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;
    }
}

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()方法如下所示：

public final void signal() {
    // 判断是否是当前线程获取了锁
    if (!isHeldExclusively())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    // 唤醒等待队列的首节点
    Node first = firstWaiter;
    if (first != null)
        doSignal(first);
}

该方法最终调用doSignal(Node)方法来唤醒节点：

private void doSignal(Node first) {
    do {
        // 把等待队列的首节点移除之后，要修改首结点
        if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
            lastWaiter = null;
        first.nextWaiter = null;
    } while (!transferForSignal(first) &&
                (first = firstWaiter) != null);
}

将节点移动到同步队列是通过transferForSignal(Node)方法完成的：

final boolean transferForSignal(Node node) {
    // 尝试将该节点的状态从CONDITION修改为0
    if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
        return false;
    
    // 将节点加入到同步队列尾部，返回该节点的前驱节点
    Node p = enq(node);
    int ws = p.waitStatus;
    // 如果前驱节点的状态为CANCEL或者修改waitStatus失败，则直接唤醒当前线程
    if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
        LockSupport.unpark(node.thread);
    return true;
}

节点从等待队列移动到同步队列的过程如下图所示：

被唤醒后的线程，将从await()方法中的while循环中退出（因为此时isOnSyncQueue(Node)方法返回true），进而调用acquireQueued()方法加入到获取同步状态的竞争中。

成功获取了锁之后，被唤醒的线程将从先前调用的await()方法返回，此时，该线程已经成功获取了锁。

Condition的signalAll()方法，相当于对等待队列的每个节点均执行一次signal()方法，效果就是将等待队列中的所有节点移动到同步队列中。

参考资料

方腾飞：《Java并发编程的艺术》