Java并发之Condition的实现分析

一、Condition的概念

介绍

回忆synchronized关键字,它配合Object的wait()、notify()系列方法可以实现等待/通知模式。

对于Lock,通过Condition也可以实现等待/通知模式。

Condition是一个接口。
Condition接口的实现类是Lock(AQS)中的ConditionObject。
Lock接口中有个 newCondition()方法,通过这个方法可以获得Condition对象(其实就是ConditionObject)。
因此,通过Lock对象可以获得Condition对象。

1
2
3
Lock lock = new ReentrantLock();
Condition c1 = lock.newCondition();
Condition c2 = lock.newCondition();

二、Condition的实现分析

实现

ConditionObject类是AQS的内部类,实现了Condition接口。

1
2
3
4
public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
private transient Node firstWaiter;
private transient Node lastWaiter;
...

可以看到,等待队列和同步队列一样,使用的都是同步器AQS中的节点类Node。
同样拥有首节点和尾节点,
每个Condition对象都包含着一个FIFO队列。
结构图:

image

等待

调用Condition的await()方法会使线程进入等待队列,并释放锁,线程状态变为等待状态。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
public final void await() throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
Node node = addConditionWaiter();
//释放同步状态(锁)
int savedState = fullyRelease(node);
int interruptMode = 0;
//判断节点是否放入同步对列
while (!isOnSyncQueue(node)) {
//阻塞
LockSupport.park(this);
//如果已经中断了,则退出
if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
break;
}
if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
interruptMode = REINTERRUPT;
if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
unlinkCancelledWaiters();
if (interruptMode != 0)
reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}

分析上述方法的大概过程:

  1. 将当前线程创建为节点,加入等待队列
  2. 释放锁,唤醒同步队列中的后继节点
  3. while循环判断节点是否放入同步队列:
  • 没有放入,则阻塞,继续while循环(如果已经中断了,则退出)
  • 放入,则退出while循环,执行后面的判断
  1. 退出while说明节点已经在同步队列中,调用acquireQueued()方法加入同步状态竞争。
  2. 竞争到锁后从await()方法返回,即退出该方法。

image

addConditionWaiter()方法:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
private Node addConditionWaiter() {
Node t = lastWaiter;
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;
}
//将该线程创建节点,放入等待队列
Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
if (t == null)
firstWaiter = node;
else
t.nextWaiter = node;
lastWaiter = node;
return node;
}

过程分析:同步队列的首节点移动到等待队列。加入尾节点之前会清除所有状态不为Condition的节点。


通知

调用Condition的signal()方法,可以唤醒等待队列的首节点(等待时间最长),唤醒之前会将该节点移动到同步队列中。

1
2
3
4
5
6
7
8
public final void signal() {
//判断是否获取了锁
if (!isHeldExclusively())
throw new IllegalMonitorStateException();
Node first = firstWaiter;
if (first != null)
doSignal(first);
}

过程:

  1. 先判断当前线程是否获取了锁
  2. 然后对首节点调用doSignal()方法
1
2
3
4
5
6
7
8
private void doSignal(Node first) {
do {
if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
lastWaiter = null;
first.nextWaiter = null;
} while (!transferForSignal(first) &&
(first = firstWaiter) != null);
}

过程:

  1. 修改首节点
  2. 调用transferForSignal()方法将节点移动到同步队列
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
final boolean transferForSignal(Node node) {
//将节点状态变为0
if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
return false;
//将该节点加入同步队列
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;
}

调用同步器的enq方法,将节点移动到同步队列,
满足条件后使用LockSupport唤醒该线程。

image


当Condition调用signalAll()方法:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
public final void signalAll() {
if (!isHeldExclusively())
throw new IllegalMonitorStateException();
Node first = firstWaiter;
if (first != null)
doSignalAll(first);
}
private void doSignalAll(Node first) {
lastWaiter = firstWaiter = null;
do {
Node next = first.nextWaiter;
first.nextWaiter = null;
transferForSignal(first);
first = next;
} while (first != null);
}

可以看到doSignalAll()方法使用了do-while循环来唤醒每一个等待队列中的节点,直到first为null时,停止循环。

一句话总结signalAll()的作用:将等待队列中的全部节点移动到同步队列中,并唤醒每个节点的线程。

总结

整个过程可以分为三步:

第一步: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等待队列中,并释放锁。然后就在await()中的一个while循环中判断节点是否已经在同步队列,是则尝试获取锁,否则一直阻塞。

第二步: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)方法将节点移动到同步队列,并唤醒节点中的线程。

第三步:被唤醒的线程,将从await()中的while循环中退出来,然后调用acquireQueued()方法竞争同步状态。竞争成功则退出await()方法,继续执行。