AQS源码解读（四）——Condition原理详解（Object#wait/notify优化？singnal唤醒线程了吗？）

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2022-03-12



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文章目录


  • ​​一、前言​​
  • ​​二、代码示例​​
  • ​​三、Condition实现原理​​

  • ​​1、Condition单向队列​​
  • ​​2、ConditionObject#await​​


​​（1）fullyRelease完全释放锁​​​​（2）isOnSyncQueue判断节点是否在AQS同步队列​​​​（3）checkInterruptWhileWaiting判断唤醒过程中是否发生中断​​​​（4）acquireQueued重新获取锁​​​​（5）unlinkCancelledWaiters剔除取消节点​​​​（6）reportInterruptAfterWait对中断做出补偿​​

  • ​​3、ConditionObject#awaitUninterruptibly​​
  • ​​4、ConditionObject#await(long, java.util.concurrent.TimeUnit)​​
  • ​​5、ConditionObject#awaitNanos(long nanosTimeout)​​
  • ​​6、ConditionObject#awaitUntil(Date deadline)​​
  • ​​7、ConditionObject#signal​​
  • ​​8、ConditionObject#signalAll​​

  • ​​四、总结​​


一、前言

​​Condition​​​的功能类似于​​wait/notify​​​，可用于实现生产者消费者模式，在阻塞队列中有着广泛实践。但是有了​​wait/notify​​​为什么还要有​​Condition​​呢？

​​wait/notify​​​必须和​​synchronized​​​配套使用，正因为如此，​​wait/notify​​​作用的对象和​​synchronized​​的对象是同一个，无法区分队列空和队列满的情况，导致生产者可以唤醒消费者，也可以唤醒其他生产者，反之亦然。

​​Condition​​​的出现就是为了解决​​wait/notify​​​不能针对性唤醒的问题。​​Condition​​​也是需要和​​Lock​​​配套使用，所以​​Condition​​​也是​​Lock​​​的一部分。​​Condition​​​是如何解决​​wait/notify​​的问题的呢？

二、代码示例

如下利用​​Condition​​实现了一个简易的生产者和消费者模式。将集合容量设置为1，生产者和消费者将交替运行。


  • ​​notFull​​​表示生产者的状态，​​notFull.await()​​​负负为正表示集合满状态，生产者阻塞，停止生产；​​notFull.signal()​​表示集合不满，生产者唤醒，继续生产。
  • ​​notEmpty​​​表示消费者状态，​​notEmpty.await()​​​负负为正表示集合空状态，消费者阻塞，停止消费；​​notEmpty.signal()​​表示集合不空，消费者唤醒，继续消费。

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final int maxCapacity = 1;
        List<Integer> store = new ArrayList<>(maxCapacity);
        Lock lock = new ReentrantLock();

        Condition notEmpty = lock.newCondition();
        Condition notFull = lock.newCondition();

        Thread producer = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (;;) {
                    lock.lock();
                    try {
                        if (store.size() >= maxCapacity) {
                            try {
                                System.out.println("store 满了，生产者阻塞,不满等待notFull.wait()");
                                notFull.await();
                            } catch (InterruptedException e) {
                                e.printStackTrace();
                            }
                        }
                        int rand = new Random().nextInt();
                        store.add(rand);
                        System.out.println("store 没有满，生产者生产，并唤醒消费者notEmpty.signal()");
                        notEmpty.signal();
                    } finally {
                        lock.unlock();
                    }
                }
            }
        });
        Thread consumer = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (;;) {
                    lock.lock();
                    try {
                        if (store.size() == 0) {
                            try {
                                System.out.println("store 空了，消费者阻塞,不空等待notEmpty.wait()");
                                notEmpty.await();
                            } catch (InterruptedException e) {
                                e.printStackTrace();
                            }
                        }
                        store.remove(0);
                        System.out.println("store不空，消费者消费, 不满唤醒notFull.signal()");
                        notFull.signal();
                    } finally {
                        lock.unlock();
                    }
                }
            }
        });
        producer.start();
        consumer.start();
    }
}

//控制台输出
store 没有满，生产者生产，并唤醒消费者notEmpty.signal()
store 满了，生产者阻塞,不满等待notFull.wait()
store不空，消费者消费, 不满唤醒notFull.signal()
store 空了，消费者阻塞,不空等待notEmpty.wait()
store 没有满，生产者生产，并唤醒消费者notEmpty.signal()
store 满了，生产者阻塞,不满等待notFull.wait()
store不空，消费者消费, 不满唤醒notFull.signal()
store 空了，消费者阻塞,不空等待notEmpty.wait()
store 没有满，生产者生产，并唤醒消费者notEmpty.signal()
store 满了，生产者阻塞,不满等待notFull.wait()
... ...

三、Condition实现原理

​​Condition​​​是一个接口，它的实现类是​​AbstractQueuedSynchronizer​​​的一个内部类​​ConditionObject​​​。从源码可以看出​​ReentrantLock​​​和​​ReentrantReadWriteLock.WriteLock​​​有Condition的功能且都是调用了AQS的​​ConditionObject​​​，所以其实现逻辑是一样的；​​ReentrantReadWriteLock.ReadLock​​不支持Condition的功能。

//ReentrantLock#newCondition
public Condition newCondition() {
    return sync.newCondition();
}
//ReentrantLock.Sync#newCondition
final ConditionObject newCondition() {
    return new ConditionObject();
}
//ReentrantReadWriteLock.WriteLock#newCondition
public Condition newCondition() {
    return sync.newCondition();
}
//ReentrantReadWriteLock.Sync#newCondition
final ConditionObject newCondition() {
    return new ConditionObject();
}
//ReentrantReadWriteLock.ReadLock#newCondition
public Condition newCondition() {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

1、Condition单向队列

​​ConditionObject​​​中维护了一个单向链表队列。​​firstWaiter​​​相当于head，​​lastWaiter​​相当于tail。

入队列流程如下：


  2. 新建一个节点node，​​node.thread=Thread.currentThread() ;node.waitStatus=CONDITION​​。
  3. 若等待队列为空时，​​firstWaiter​​​和​​lastWaiter​​都指向新节点node。
  4. 等待队列不为空，node拼接到队列尾部，​​lastWaiter​​指针后移到node。

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

    /**
     * Adds a new waiter to wait queue.
     * @return its new wait node
     */
    private Node addConditionWaiter() {
        Node t = lastWaiter;
        // If lastWaiter is cancelled, clean out.
        if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
            unlinkCancelledWaiters();//清除取消节点
            t = lastWaiter;
        }
        Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
        if (t == null)
            //空的  firstWaiter和 lastWaiter都指向 node
            // firstWaiter=lastWaiter=null 是空
            // firstWaiter=lastWaiter!=null 说明只有一个节点
            firstWaiter = node;
        else
            //tail != null，将节点拼接到尾部
            t.nextWaiter = node;
        //lastWaiter指针后移到新节点
        lastWaiter = node;
        return node;
    }
}

AQS源码解读（四）——Condition原理详解（Object#wait/notify优化？singnal唤醒线程了吗？）_ConditionObject

了解了​​ConditionObject​​​的单向队列原理，​​await()​​​和​​signal()​​的原理也就容易理解了。

2、ConditionObject#await

​​await()​​​是在一个线程持有锁的情况下调用，所以整体是线程安全的，同时​​await()​​​会响应线程中断。如下是​​await()​​基本流程：


  2. 将当前线程赋值给新节点并拼接到队列尾部。
  3. 完全释放锁​​fullyRelease​​，使得当前线程不再持有锁，state=0。
  4. 当node节点不在AQS同步队列中，则阻塞当前线程。
  5. 线程被唤醒有可能是其他线程调用了unpark，也有可能是发生中断导致唤醒，中断唤醒跳出循环，自然唤醒则循环一次判断节点是否在AQS同步队列中，在则终止循环。
  6. 若唤醒循环结束，重新获取锁。
  7. 无论获取锁成功与否，若唤醒的过程发生过中断，最后都需要对中断做出补偿​​reportInterruptAfterWait​​。

public final void await() throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    //1.放入condition队列-尾
    Node node = addConditionWaiter();
    //2.释放所有锁 state--->0，完全释放锁失败抛出异常不会继续往下走
    int savedState = fullyRelease(node);
    int interruptMode = 0;
    while (!isOnSyncQueue(node)) {
        //3.不在aqs的同步队列中，则继续阻塞
        LockSupport.park(this);
        //4.被唤醒，判断unpark过程中是否发生过中断
        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
            break;
    }
    //5.acquireQueued  返回false为拿锁成功，返回true是阻塞被唤醒或者被中断
    if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
        //不是唤醒前被中断  那就是唤醒后被中断
        interruptMode = REINTERRUPT;
    if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
        unlinkCancelledWaiters();
    if (interruptMode != 0)
        reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}

（1）fullyRelease完全释放锁

调用await和调用​​java.lang.Object#wait()​​​一样都要先完全释放锁，如果完全释放锁失败则将node节点状态设置为取消​​Node.CANCELLED​​​，也就有了剔除​​codition​​​队列取消节点的操作​​unlinkCancelledWaiters​​。

final int fullyRelease(Node node) {
    boolean failed = true;
    try {
        //获取重入次数
        int savedState = getState();
        //完全释放锁
        if (release(savedState)) {
            failed = false;
            //返回重入次数
            return savedState;
        } else {
            //释放锁失败，直接抛出异常
            throw new IllegalMonitorStateException();
        }
    } finally {
        //如果完全释放锁失败，则将node节点状态设置为取消。
        //所以就有了剔除codition队列取消节点的操作
        if (failed)
            node.waitStatus = Node.CANCELLED;
    }
}

（2）isOnSyncQueue判断节点是否在AQS同步队列


  • ​​node.waitStatus=CONDITION​​​，node在​​ConditionObject​​等待队列。
  • ​​node.prev=null​​，node没有前继节点，不在AQS的同步队列。
  • ​​node.next != null​​，node有后继节点，node必须在AQS同步队列。
  • 以上都不满足的情况下，从AQS的尾部开始遍历查询是否有node节点。

final boolean isOnSyncQueue(Node node) {
    if (node.waitStatus == Node.CONDITION || node.prev == null)
        return false;
    if (node.next != null) // If has successor, it must be on aqs queue
        return true;
    //从aqs 尾开始遍历查找 node
    return findNodeFromTail(node);
}

private boolean findNodeFromTail(Node node) {
    Node t = tail;
    for (;;) {
        if (t == node)
            return true;
        if (t == null)
            return false;
        t = t.prev;
    }
}

（3）checkInterruptWhileWaiting判断唤醒过程中是否发生中断

线程从​​await​​​中唤醒，需要判断唤醒的过程中是否发生过中断，若发生过中断，需要进一步判断是唤醒后中断（​​REINTERRUPT = 1​​​），还是唤醒前中断（​​THROW_IE = -1​​）？

/** Mode meaning to reinterrupt on exit from wait */
//唤醒后被中断
private static final int REINTERRUPT =  1;
/** Mode meaning to throw InterruptedException on exit from wait */
//唤醒前中断
private static final int THROW_IE    = -1;

private int checkInterruptWhileWaiting(Node node) {
    return Thread.interrupted() ?
        (transferAfterCancelledWait(node) ? THROW_IE : REINTERRUPT) :
        0;
}

（1）node可以从CONDITION修改为0，说明node还在condition队列中，需要将node放入AQS同步队列，并返回true,代表唤醒前（调用​​singal​​前）发生的中断。

（2）如果node不能可以从condition修改为0，则判断node是否在AQS中，不在则自旋让出cpu资源（等其他线程调用singal将node移动到AQS同步队列），在则返回false，代表唤醒后（调用​​singal​​后）被中断。

final boolean transferAfterCancelledWait(Node node) {
    if (compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0)) {
        //可以从condition修改为0，说明node还在condition队列中，需要将node放入AQS队列，
        //并返回true,代表唤醒前发生的中断。
        enq(node);
        return true;
    }
    /*
     * If we lost out to a signal(), then we can't proceed
     * until it finishes its enq().  Cancelling during an
     * incomplete transfer is both rare and transient, so just
     * spin.
     */
    //如果node不能可以从condition修改为0，则判断node是否在AQS中，不在则自旋让出cpu
    //在则返回false，代表唤醒后被中断
    while (!isOnSyncQueue(node))
        Thread.yield();
    return false;
}

（4）acquireQueued重新获取锁

需要注意acquireQueued返回值代表的是，是否发生中断，acquireQueued是自旋获取锁，虽然会有阻塞，但是唤醒后依然自旋获取锁，直至获取锁成功才返回，所以其既然能执行完毕返回就代表获取锁成功了。

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            //拿node的前一个节点
            final Node p = node.predecessor();
            //若p是头节点，，说明自己排在队列的第一个尝试抢锁
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                //node成为新的head
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                //拿到锁了返回false
                return interrupted;
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            //基本不可能走到这一步，除非是系统级别的异常导致获取锁失败for循环意外退出，
            cancelAcquire(node);
    }
}

（5）unlinkCancelledWaiters剔除取消节点

​​if (node.nextWaiter != null)​​如果node还有后继，说明condition队列中还有其他节点则从头遍历执行剔除取消节点的操作。

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指向的是上一个正常的节点
                trail.nextWaiter = next;
            if (next == null)
                lastWaiter = trail;
        }
        else
            trail = t;
        //从头遍历
        t = next;
    }
}

（6）reportInterruptAfterWait对中断做出补偿

对这两种中断做出相应的补偿措施，唤醒前中断（​​THROW_IE = -1​​​），抛出异常；唤醒后中断（​​REINTERRUPT = 1​​），作为补偿再自己中断一下自己。

private void reportInterruptAfterWait(int interruptMode)
    throws InterruptedException {
    if (interruptMode == THROW_IE)
        throw new InterruptedException();
    else if (interruptMode == REINTERRUPT)
        selfInterrupt();
}
static void selfInterrupt() {
    Thread.currentThread().interrupt();
}

3、ConditionObject#awaitUninterruptibly

​​awaitUninterruptibly()​​​和​​await()​​逻辑类似，区别在于不会响应线程中断，不会对中断做出补偿，也不会做剔除取消节点的操作。

//不会响应中断
public final void awaitUninterruptibly() {
    //加入condition双向队列
    Node node = addConditionWaiter();
    int savedState = fullyRelease(node);
    boolean interrupted = false;
    while (!isOnSyncQueue(node)) {
        LockSupport.park(this);
        if (Thread.interrupted())
        //线程中断不会跳出循环
            interrupted = true;
    }
    if (acquireQueued(node, savedState) || interrupted)
        //补偿机制
        selfInterrupt();
}

4、ConditionObject#await(long, java.util.concurrent.TimeUnit)

​​await(long, java.util.concurrent.TimeUnit)​​​可以传递两个参数时长和时间类型，同时也可响应中断。代码结构上和​​await()​​相似，只是加入了时间因素，而时间因素就用在了自旋的过程中：


  2. 通过传入的时长​​time​​，计算出deadline。
  3. 自旋如果超时​​nanosTimeout <= 0L​​​，则主动将node放入AQS同步队列，此时node并没有移出condition队列，只是将状态从​​Node.CONDITION​​​改为0，会在后面​​unlinkCancelledWaiters​​时移出condition队列。
  4. 自旋还未超时，则会给一个自旋的阈值（​​spinForTimeoutThreshold = 1000L​​​），自旋1000纳秒后未跳出自旋则阻塞线程一段时长(​​parkNanos(this, nanosTimeout)​​)。
  5. 线程阻塞时长到，自动唤醒，继续自旋，判断node是否在AQS同步队列，判断是否超时。

public final boolean await(long time, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException {
    long nanosTimeout = unit.toNanos(time);
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    Node node = addConditionWaiter();
    int savedState = fullyRelease(node);
    final long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout;
    boolean timedout = false;
    int interruptMode = 0;
    while (!isOnSyncQueue(node)) {
        if (nanosTimeout <= 0L) {
            //时间到，自动唤醒，放入aqs队列
            timedout = transferAfterCancelledWait(node);
            break;
        }
        //自旋一定时间1000纳秒后，阻塞
        if (nanosTimeout >= spinForTimeoutThreshold)
            LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
            break;
        nanosTimeout = deadline - System.nanoTime();
    }
    if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
        interruptMode = REINTERRUPT;
    if (node.nextWaiter != null)
        unlinkCancelledWaiters();
    if (interruptMode != 0)
        reportInterruptAfterWait(interruptMode);
    return !timedout;
}

注：​​await(long, java.util.concurrent.TimeUnit)​​返回结果是是否超时，true为未超时，false为超时。

5、ConditionObject#awaitNanos(long nanosTimeout)

​​awaitNanos(long nanosTimeout)​​​与​​await(long, java.util.concurrent.TimeUnit)​​​类似，也和时间有关。​​awaitNanos(long nanosTimeout)​​​只能传入一个纳秒的时长，返回是超时剩余时长（​​deadline - System.nanoTime()​​）。

public final long awaitNanos(long nanosTimeout)
        throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    Node node = addConditionWaiter();
    int savedState = fullyRelease(node);
    final long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout;
    int interruptMode = 0;
    while (!isOnSyncQueue(node)) {
        if (nanosTimeout <= 0L) {
            //时间到，自动唤醒，放入aqs队列
            transferAfterCancelledWait(node);
            break;
        }
        if (nanosTimeout >= spinForTimeoutThreshold)
            LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
        //响应中断
        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
            break;
        nanosTimeout = deadline - System.nanoTime();
    }
    if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
        interruptMode = REINTERRUPT;
    if (node.nextWaiter != null)
        unlinkCancelledWaiters();
    if (interruptMode != 0)
        reportInterruptAfterWait(interruptMode);
    return deadline - System.nanoTime();
}

6、ConditionObject#awaitUntil(Date deadline)

​​awaitUntil​​也是和时间有关，只是这个时间不是一个时间段，而是一个日期，或者说是一个时间戳。自旋过程没有给定一个阈值，若未到截止日期，则线程会阻塞，在没有其他线程唤醒或者中断的情况下，线程会到截止日期后自动唤醒。

public final boolean awaitUntil(Date deadline)
        throws InterruptedException {
    long abstime = deadline.getTime();
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    Node node = addConditionWaiter();
    int savedState = fullyRelease(node);
    boolean timedout = false;
    int interruptMode = 0;
    while (!isOnSyncQueue(node)) {
        if (System.currentTimeMillis() > abstime) {
            //时间到，自动唤醒，放入aqs队列
            timedout = transferAfterCancelledWait(node);
            break;
        }
        //abstime绝对时长，是个时间戳
        LockSupport.parkUntil(this, abstime);
        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);
    return !timedout;
}

7、ConditionObject#signal

唤醒是从队头开始唤醒，同样是天生的线程安全。

public final void signal() {
    if (!isHeldExclusively())
        //持有锁的不是当前线程
        throw new IllegalMonitorStateException();
    Node first = firstWaiter;
    if (first != null)
        doSignal(first);
}

唤醒的逻辑在​​doSignal()​​中：


  2. first移出condition等待队列（​​first.nextWaiter = null​​）。
  3. ​​first.waitStatus​​设置为0。
  4. first入AQS同步队列。
  5. 设置first的前继节点的​​waitStatus​​​为​​SIGNAL​​，等待其他线程释放锁的时候真正唤醒。

private void doSignal(Node first) {
    do {
        if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
            lastWaiter = null;//等待队列空的 无需唤醒

        first.nextWaiter = null;
        //first ！= null，这里的唤醒只是将first取出等待队列，放入aqs队列的尾部，
        // 并不会unpark
        //除非aqs前继节点被取消或者signal状态设置失败，会直接唤醒first节点的线程
    } while (!transferForSignal(first) &&
             (first = firstWaiter) != null);
}
final boolean transferForSignal(Node node) {
    /*
     * If cannot change waitStatus, the node has been cancelled.
     */
    //1.修改状态，改不了就是已经被取消了
    if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
        return false;

    //2.入aqs同步队列
    Node p = enq(node);
    int ws = p.waitStatus;
    //前继节点 ws > 0代表取消
    //设置前继节点的ws为SIGNAL，预示 其后继节点要被唤醒
    if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
        //前继节点取消  or  ws设置 SIGNAL 失败，将立即唤醒node节点的线程
        LockSupport.unpark(node.thread);
    return true;
}

何为唤醒？正常情况下， ​​signal()​​​不会真正唤醒线程，而是将condition队列的头结点移到AQS的同步队列中，等待某个线程释放锁的时候真正唤醒。除非放入AQS同步队列后，其前继节点被取消或者状态设置为​​SIGNAL​​失败，才会直接唤醒first节点的线程。

8、ConditionObject#signalAll

​​signalAll()​​​唤醒等待队列中的所有节点，唤醒过程和​​signal()​​类似。

public final void signalAll() {
    if (!isHeldExclusively())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    Node first = firstWaiter;
    if (first != null)
        //唤醒所有
        doSignalAll(first);
}
private void doSignalAll(Node first) {
    //清空等待队列
    lastWaiter = firstWaiter = null;
    //循环唤醒
    do {
        Node next = first.nextWaiter;
        first.nextWaiter = null;
        transferForSignal(first);
        first = next;
    } while (first != null);
}

四、总结


  • ​​Condition​​必须和​​Lock​​配套使用，线程只有获取锁后才能调用​​Condition​​的​​await​​或者​​singal​​。
  • ​​await​​过程中会完全释放锁。
  • 正常情况下​​signal​​不会唤醒​​condition​​队列中的节点，只是将头节点移到了AQS同步队列中，并设置其前驱状态为​​SIGNAL​​，等待其他线程释放锁后正在唤醒。

PS: ​如若文章中有错误理解，欢迎批评指正，同时非常期待你的评论、点赞和收藏。我是徐同学，愿与你共同进步！​

AQS源码解读（四）——Condition原理详解（Object#wait/notify优化？singnal唤醒线程了吗？）_JDK8_02



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