怎么理解Condition

java.util.concurrent包中,有两个很特殊的工具类,ConditionReentrantLock,使用过的人都知道,ReentrantLock(重入锁)是jdk的concurrent包提供的一种独占锁的实现。它继承自Dong Lea的 AbstractQueuedSynchronizer(同步器),确切的说是ReentrantLock的一个内部类继承了AbstractQueuedSynchronizerReentrantLock只不过是代理了该类的一些方法,可能有人会问为什么要使用内部类在包装一层? 我想是安全的关系,因为AbstractQueuedSynchronizer中有很多方法,还实现了共享锁,Condition(稍候再细说)等功能,如果直接使ReentrantLock继承它,则很容易出现AbstractQueuedSynchronizer中的API被无用的情况。

言归正传,今天,我们讨论下Condition工具类的实现。

ReentrantLockCondition的使用方式通常是这样的:

    public static void main(String[] args) {
        final ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock();
        final Condition condition = reentrantLock.newCondition();

        Thread thread = new Thread((Runnable) () -> {
                try {
                    reentrantLock.lock();
                    System.out.println("我要等一个新信号" + this);
                    condition.wait();
                }
                catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("拿到一个信号!!" + this);
                reentrantLock.unlock();
        }, "waitThread1");

        thread.start();
        
        Thread thread1 = new Thread((Runnable) () -> {
                reentrantLock.lock();
                System.out.println("我拿到锁了");
                try {
                    Thread.sleep(3000);
                }
                catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                condition.signalAll();
                System.out.println("我发了一个信号!!");
                reentrantLock.unlock();
        }, "signalThread");
        
        thread1.start();
    }

运行后,结果如下:

我要等一个新信号lock.ReentrantLockTest$1@a62fc3
我拿到锁了
我发了一个信号!!
拿到一个信号!!

可以看到,

Condition的执行方式,是当在线程1中调用await方法后,线程1将释放锁,并且将自己沉睡,等待唤醒,

线程2获取到锁后,开始做事,完毕后,调用Conditionsignal方法,唤醒线程1,线程1恢复执行。

以上说明Condition是一个多线程间协调通信的工具类,使得某个,或者某些线程一起等待某个条件(Condition),只有当该条件具备( signal 或者 signalAll方法被带调用)时 ,这些等待线程才会被唤醒,从而重新争夺锁。

那,它是怎么实现的呢?

首先还是要明白,reentrantLock.newCondition() 返回的是Condition的一个实现,该类在AbstractQueuedSynchronizer中被实现,叫做newCondition()

public Condition newCondition()   { return sync.newCondition(); }

它可以访问AbstractQueuedSynchronizer中的方法和其余内部类(AbstractQueuedSynchronizer是个抽象类,至于他怎么能访问,这里有个很奇妙的点,后面我专门用demo说明 )

现在,我们一起来看下Condition类的实现,还是从上面的demo入手,

为了方便书写,我将AbstractQueuedSynchronizer缩写为AQS

await被调用时,代码如下:

    public final void await() throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        Node node = addConditionWaiter(); // 将当前线程包装下后,
                                          // 添加到Condition自己维护的一个链表中。
        int savedState = fullyRelease(node);// 释放当前线程占有的锁,从demo中看到,
                                            // 调用await前,当前线程是占有锁的

        int interruptMode = 0;
        while (!isOnSyncQueue(node)) {// 释放完毕后,遍历AQS的队列,看当前节点是否在队列中,
            // 不在 说明它还没有竞争锁的资格,所以继续将自己沉睡。
            // 直到它被加入到队列中,聪明的你可能猜到了,
            // 没有错,在singal的时候加入不就可以了?
            LockSupport.park(this);
            if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
                break;
        }
        // 被唤醒后,重新开始正式竞争锁,同样,如果竞争不到还是会将自己沉睡,等待唤醒重新开始竞争。
        if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
            interruptMode = REINTERRUPT;
        if (node.nextWaiter != null)
            unlinkCancelledWaiters();
        if (interruptMode != 0)
            reportInterruptAfterWait(interruptMode);
    }

回到上面的demo,锁被释放后,线程1开始沉睡,这个时候线程因为线程1沉睡时,会唤醒AQS队列中的头结点,所所以线程2会开始竞争锁,并获取到,等待3秒后,线程2会调用signal方法,“发出”signal信号,signal方法如下:

    public final void signal() {
        if (!isHeldExclusively())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        Node first = firstWaiter; // firstWaiter为condition自己维护的一个链表的头结点,
                                  // 取出第一个节点后开始唤醒操作
        if (first != null)
            doSignal(first);
    }

说明下,其实Condition内部维护了等待队列的头结点和尾节点,该队列的作用是存放等待signal信号的线程,该线程被封装为Node节点后存放于此。

    public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
        private static final long serialVersionUID = 1173984872572414699L;
        /** First node of condition queue. */
        private transient Node firstWaiter;
        /** Last node of condition queue. */
        private transient Node lastWaiter;

关键的就在于此,我们知道AQS自己维护的队列是当前等待资源的队列,AQS会在资源被释放后,依次唤醒队列中从前到后的所有节点,使他们对应的线程恢复执行。直到队列为空。

而Condition自己也维护了一个队列,该队列的作用是维护一个等待signal信号的队列,两个队列的作用是不同,事实上,每个线程也仅仅会同时存在以上两个队列中的一个,流程是这样的:

  1. 线程1调用reentrantLock.lock时,线程被加入到AQS的等待队列中。
  2. 线程1调用await方法被调用时,该线程从AQS中移除,对应操作是锁的释放。
  3. 接着马上被加入到Condition的等待队列中,以为着该线程需要signal信号。
  4. 线程2,因为线程1释放锁的关系,被唤醒,并判断可以获取锁,于是线程2获取锁,并被加入到AQS的等待队列中。
  5. 线程2调用signal方法,这个时候Condition的等待队列中只有线程1一个节点,于是它被取出来,并被加入到AQS的等待队列中。 注意,这个时候,线程1 并没有被唤醒。
  6. signal方法执行完毕,线程2调用reentrantLock.unLock()方法,释放锁。这个时候因为AQS中只有线程1,于是,AQS释放锁后按从头到尾的顺序唤醒线程时,线程1被唤醒,于是线程1回复执行。
  7. 直到释放所整个过程执行完毕。

可以看到,整个协作过程是靠结点在AQS的等待队列和Condition的等待队列中来回移动实现的,Condition作为一个条件类,很好的自己维护了一个等待信号的队列,并在适时的时候将结点加入到AQS的等待队列中来实现的唤醒操作。

看到这里,signal方法的代码应该不难理解了。

取出头结点,然后doSignal


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

    private void doSignal(Node first) {
        do {
            if ((firstWaiter = first.nextWaiter) == null) // 修改头结点,完成旧头结点的移出工作
                lastWaiter = null;
            first.nextWaiter = null;
        } while (!transferForSignal(first) && // 将老的头结点,加入到AQS的等待队列中
                 (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;
        // 如果该结点的状态为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;
    }
 

可以看到,正常情况 ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL)这个判断是不会为true的,所以,不会在这个时候唤醒该线程。

只有到发送signal信号的线程调用reentrantLock.unlock()后因为它已经被加到AQS的等待队列中,所以才会被唤醒。

总结:

本文从代码的角度说明了Condition的实现方式,其中,涉及到了AQS的很多操作,比如AQS的等待队列实现独占锁功能,不过,这不是本文讨论的重点,等有机会再将AQS的实现单独分享出来。



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12 条评论

  1. zhangx 说道:

    第一个DEMO怎么会运行出错了 是不是LOCK用法出现了问题!lock不是用来同步的吗 如果没有unlock那不就相当于是占用了 一直不会释放了吧!

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  2. zhangx 说道:

    java.lang.IllegalMonitorStateException
    at java.lang.Object.wait(Native Method)
    at java.lang.Object.wait(Object.java:503)
    at com.zx.test.ConcurrentTest$1.run(ConcurrentTest.java:18)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:722) 不知道你们遇到这种错误了吗

    Thumb up 0 Thumb down 0

    • 青木 说道:

      楼主代码有点问题,这是我调试通过的代码
      public static void main(String[] args) {
      final ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock();
      final Condition condition = reentrantLock.newCondition();

      Thread thread = new Thread(new Runnable() {

      public void run(){
      try {
      reentrantLock.lock();
      System.out.println(“我要等一个新信号” + this);
      // condition.wait();
      condition.await();

      }
      catch (Exception e) {
      e.printStackTrace();
      }
      System.out.println(“拿到一个信号!!” + this);
      reentrantLock.unlock();
      }
      }, “waitThread1″);

      thread.start();

      Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
      public void run(){
      reentrantLock.lock();
      System.out.println(“我拿到锁了”);
      try {
      Thread.sleep(3000);
      }
      catch (Exception e) {
      e.printStackTrace();
      }
      condition.signalAll();
      System.out.println(“我发了一个信号!!”);
      reentrantLock.unlock();
      }
      }, “signalThread”);

      thread1.start();

      }

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  3. liuinsect 说道:

    demo是没有问题的,1楼的理解错了,你仔细看完本文后,应该会理解,当你调用condition.await的时候,当前线程是会释放锁的。。

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  4. narutoying 说道:

    demo的文字描述没错,可能在贴代码的时候有些问题,condition调用的应该是await方法(对应condition.signalAll()),这个才是condition特有的等待信号的方法,而wait方法是所有类对象的方法,需要配合notify/notifyAll和同步块才能使用。

    Thumb up 1 Thumb down 0

  5. liuinsect 说道:

    是ImportNew的小编摘抄我的文章的时候写错了,具体可以看我的原文:http://www.liuinsect.com/?p=69 里面的DEMO是没有问题的

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    • 信言 说道:

      向楼主请教一个问题,如最后的流程所述:
      “1. 线程1调用reentrantLock.lock时,线程被加入到AQS的等待队列中。”
      此时无线程争用锁,线程1会先tryAcquire一次,成功则无需入队。因此我认为此处线程1并未加入到AQS的等待队列中。

      “2. 线程1调用await方法被调用时,该线程从AQS中移除,对应操作是锁的释放。”
      我理解lock之后unlock之前都是在临界区内,此时调await直接释放锁(离开临界区)OK,但无需从AQS移除,因为移除是即将进入临界区那一刻的事情。

      “4. 线程2,因为线程1释放锁的关系,被唤醒,并判断可以获取锁,于是线程2获取锁,并被加入到AQS的等待队列中。”
      同理,我认为最后一句加入到AQS队列有误。

      另外,楼主的代码中变量名最好改成thread1和thread2方便对号入座,谢谢!

      Thumb up 0 Thumb down 0

  6. David 说道:

    Thread thread = new Thread((Runnable) () -> {},”");
    这种写法,为什么我这编译报错呢

    换成了:
    Thread thread1 = new Thread(new Runnable(){
    @Override
    public void run() {
    。。。
    }});
    时,
    执行到condition.signalAll();报错

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  7. darkmi 说道:

    同问:

    Thread thread = new Thread((Runnable) () -> {},””);

    以上的写法如何编译通过呢?

    没见过java中->这种用法啊。。。

    Thumb up 0 Thumb down 1

  8. everrr 说道:

    Thread thread = new Thread((Runnable) () -> {},””);
    是java8的新特性

    Thumb up 0 Thumb down 0

  9. nightsky24 说道:

    搂住的第一个线程中 condition.wait();应该是condition.await()

    Thumb up 0 Thumb down 0

  10. xsank 说道:

    好文,谢楼主分享~

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