AbstractQueuedSynchronizer 中的condition原理

转自：http://www.importnew.com/9281.html

在

java.util.concurrent

包中，有两个很特殊的工具类，

Condition

和

ReentrantLock

，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

AbstractQueuedSynchronizer

，

ReentrantLock

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。

ReentrantLock

和

Condition

的使用方式通常是这样的：

publicstatic void main(String[] args) {
finalReentrantLock reentrantLock = newReentrantLock();
finalCondition condition = reentrantLock.newCondition();

Thread thread = newThread((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 = newThread((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

Condition

的

signal

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()

publicCondition newCondition() { returnsync.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

当

await

被调用时，代码如下：

publicfinal void await() throwsInterruptedException {
if(Thread.interrupted())
thrownew 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。
intsavedState = 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

intinterruptMode = 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：

publicfinal void signal() {
if(!isHeldExclusively())
thrownew 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。

publicclass ConditionObject implementsCondition, java.io.Serializable {
privatestatic final long serialVersionUID = 1173984872572414699L;
/** First node of condition queue. */
privatetransient Node firstWaiter;
/** Last node of condition queue. */
privatetransient 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：
线程1调用

reentrantLock.lock

时，线程被加入到AQS的等待队列中。
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。
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。
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。
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。

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。
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

publicfinal void signal() {
if(!isHeldExclusively()) {
thrownew IllegalMonitorStateException();
}
Node first = firstWaiter;
if(first != null) {
doSignal(first);
}
}

privatevoid 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);
}

finalboolean 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);
intws = 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);
returntrue;
}

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。