J.U.C 之 Condition
在沒有 Lock 之前,我們使用 synchronized
來控制同步,配合 Object 的 #wait()
、#notify()
等一系列方法可以實現等待 / 通知模式。在 Java SE 5 後,Java 提供了 Lock 介面,相對於 synchronized
而言,Lock 提供了條件 Condition ,對執行緒的等待、喚醒操作更加詳細和靈活。下圖是 Condition 與 Object 的監視器方法的對比(摘自《Java併發程式設計的藝術》):
1. Condition
java.util.concurrent.locks.Condition
,條件 Condition 介面,定義了一系列的方法,來對阻塞和喚醒執行緒:
// ========== 阻塞 ========== void await() throws InterruptedException; // 造成當前執行緒在接到訊號或被中斷之前一直處於等待狀態。 void awaitUninterruptibly(); // 造成當前執行緒在接到訊號之前一直處於等待狀態。【注意:該方法對中斷不敏感】。 long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException; // 造成當前執行緒在接到訊號、被中斷或到達指定等待時間之前一直處於等待狀態。返回值表示剩餘時間,如果在`nanosTimeout` 之前喚醒,那麼返回值 `= nanosTimeout - 消耗時間` ,如果返回值 `<= 0` ,則可以認定它已經超時了。 boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException; // 造成當前執行緒在接到訊號、被中斷或到達指定等待時間之前一直處於等待狀態。 boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException; // 造成當前執行緒在接到訊號、被中斷或到達指定最後期限之前一直處於等待狀態。如果沒有到指定時間就被通知,則返回 true ,否則表示到了指定時間,返回返回 false 。 // ========== 喚醒 ========== void signal(); // 喚醒一個等待執行緒。該執行緒從等待方法返回前必須獲得與Condition相關的鎖。 void signalAll(); // 喚醒所有等待執行緒。能夠從等待方法返回的執行緒必須獲得與Condition相關的鎖。 |
Condition 是一種廣義上的條件佇列。他為執行緒提供了一種更為靈活的等待 / 通知模式,執行緒在呼叫 await 方法後執行掛起操作,直到執行緒等待的某個條件為真時才會被喚醒。Condition 必須要配合 Lock 一起使用,因為對共享狀態變數的訪問發生在多執行緒環境下。一個 Condition 的例項必須與一個 Lock 繫結,因此 Condition 一般都是作為 Lock 的內部實現。
2. ConditionObject
獲取一個 Condition 必須要通過 Lock 的 #newCondition()
方法。該方法定義在介面 Lock 下面,返回的結果是繫結到此 Lock 例項的新 Condition 例項
public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable { /** First node of condition queue. */ private transient Node firstWaiter; // 頭節點 /** Last node of condition queue. */ private transient Node lastWaiter; // 尾節點 public ConditionObject() { } // ... 省略內部程式碼 } |
-
從上面程式碼可以看出,ConditionObject 擁有首節點(
firstWaiter
),尾節點(lastWaiter
)。當前執行緒呼叫#await()
方法時,將會以當前執行緒構造成一個節點(Node),並將節點加入到該佇列的尾部。結構如下: -
Node 裡面包含了當前執行緒的引用。Node 定義與 AQS 的 CLH 同步佇列的節點使用的都是同一個類(AbstractQueuedSynchronized 的 Node 靜態內部類)。
- ConditionObject 的佇列結構比 CLH 同步佇列的結構簡單些,新增過程較為簡單,只需要將原尾節點的
Node.next
指向新增節點,然後更新ConditionObject.lastWaiter
即可。
2.1 大體實現流程
老艿艿:在理解 Condition 的時候,看了下 《Java Condition 原始碼分析》 對大體實現流程,寫的挺不錯的,所以直接引用。
AQS 等待佇列與 Condition 佇列是兩個相互獨立的佇列
#await()
就是在當前執行緒持有鎖的基礎上釋放鎖資源,並新建 Condition 節點加入到 Condition 的佇列尾部,阻塞當前執行緒 。#signal()
就是將 Condition 的頭節點移動到 AQS 等待節點尾部,讓其等待再次獲取鎖。以下是 AQS 佇列和 Condition 佇列的出入結點的示意圖,可以通過這幾張圖看出執行緒結點在兩個佇列中的出入關係和條件。
I.初始化狀態:AQS等待佇列有 3 個Node,Condition 佇列有 1 個Node(也有可能 1 個都沒有)
II.節點1執行 Condition.await()
- 將 head 後移
- 釋放節點 1 的鎖並從 AQS 等待佇列中移除
- 將節點 1 加入到 Condition 的等待佇列中
- 更新 lastWaiter 為節點 1
III.節點 2 執行 Condition.signal() 操作
- 將 firstWaiter後移
- 將節點 4 移出 Condition 佇列
- 將節點 4 加入到 AQS 的等待佇列中去
- 更新 AQS 的等待佇列的 tail
2.2 等待
2.2.1 await
呼叫 Condition 的 #await()
方法,會使當前執行緒進入等待狀態,同時會加入到 Condition 等待佇列,並且同時釋放鎖。當從 #await()
方法結束時,當前執行緒一定是獲取了Condition 相關聯的鎖。
public final void await() throws InterruptedException { // 當前執行緒中斷 if (Thread.interrupted()) throw new InterruptedException(); //當前執行緒加入等待佇列 Node node = addConditionWaiter(); //釋放鎖 long savedState = fullyRelease(node); int interruptMode = 0; /** * 檢測此節點的執行緒是否在同步隊上,如果不在,則說明該執行緒還不具備競爭鎖的資格,則繼續等待 * 直到檢測到此節點在同步佇列上 */ while (!isOnSyncQueue(node)) { //執行緒掛起 LockSupport.park(this); //如果已經中斷了,則退出 if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) break; } //競爭同步狀態 if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE) interruptMode = REINTERRUPT; // 清理下條件佇列中的不是在等待條件的節點 if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled unlinkCancelledWaiters(); if (interruptMode != 0) reportInterruptAfterWait(interruptMode); } |
- 首先,將當前執行緒新建一個節點同時加入到條件佇列中。
- 然後,釋放當前執行緒持有的同步狀態。
- 之後,則是不斷檢測該節點代表的執行緒,出現在 CLH 同步佇列中(收到 signal 訊號之後,就會在 AQS 佇列中檢測到),如果不存在則一直掛起。
- 最後,重新參與競爭,獲取到同步狀態。
2.1.1.1 addConditionWaiter
#addConditionWaiter()
方法,加入條件佇列,程式碼如下:
private Node addConditionWaiter() { Node t = lastWaiter; //尾節點 //Node的節點狀態如果不為CONDITION,則表示該節點不處於等待狀態,需要清除節點 if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) { //清除條件佇列中所有狀態不為Condition的節點 unlinkCancelledWaiters(); t = lastWaiter; } //當前執行緒新建節點,狀態 CONDITION Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION); /** * 將該節點加入到條件佇列中最後一個位置 */ if (t == null) firstWaiter = node; else t.nextWaiter = node; lastWaiter = node; return node; } |
- 該方法主要是將當前執行緒加入到 Condition 條件佇列中。當然,在加入到尾節點之前,會呼叫
#unlinkCancelledWaiters()
方法,清除所有狀態不為 Condition 的節點。
2.1.1.2 fullyRelease
#fullyRelease(Node node)
方法,負責完全釋放該執行緒持有的鎖,因為例如 ReentrantLock 是可以重入的。程式碼如下:
final long fullyRelease(Node node) { boolean failed = true; try { // 節點狀態--其實就是持有鎖的數量 long savedState = getState(); // 釋放鎖 if (release(savedState)) { failed = false; return savedState; } else { throw new IllegalMonitorStateException(); } } finally { if (failed) node.waitStatus = Node.CANCELLED; } } |
- 正常情況下,釋放鎖都能成功,因為是先呼叫
Lock#lock()
方法,再呼叫Condition#await()
方法。 - 那麼什麼情況下會失敗,丟擲 IllegalMonitorStateException 異常呢?例如,當前執行緒未持有鎖,未呼叫
Lock#lock()
方法,而直接呼叫Condition#await()
方法,此時就會丟擲該異常。 - 另外,釋放失敗的情況下,會設定 Node 的等待狀態為
Node.CANCELED
。
2.1.1.3 isOnSyncQueue
#isOnSyncQueue(Node node)
方法,如果一個節點剛開始在條件佇列上,現在在同步佇列上獲取鎖則返回 true 。程式碼如下:
final boolean isOnSyncQueue(Node node) { // 狀態為 Condition,獲取前驅節點為 null ,返回 false if (node.waitStatus == Node.CONDITION || node.prev == null) return false; // 後繼節點不為 null,肯定在 CLH 同步佇列中 if (node.next != null) return true; return findNodeFromTail(node); } |
2.1.1.4 unlinkCancelledWaiters
#unlinkCancelledWaiters()
方法,負責將條件佇列中狀態不為 Condition 的節點刪除。程式碼如下:
// 等待佇列是一個單向連結串列,遍歷連結串列將已經取消等待的節點清除出去 // 純屬連結串列操作,很好理解,看不懂多看幾遍就可以了 private void unlinkCancelledWaiters() { Node t = firstWaiter; Node trail = null; // 用於中間不需要跳過時,記錄上一個 Node 節點 while (t != null) { Node next = t.nextWaiter; // 如果節點的狀態不是 Node.CONDITION 的話,這個節點就是被取消的 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; } } |
2.2.2 其他 await 實現方法
2.3 通知
2.3.1 signal
呼叫 ConditionObject的 #signal()
方法,將會喚醒在等待佇列中等待最長時間的節點(條件佇列裡的首節點),在喚醒節點前,會將節點移到CLH同步佇列中。
public final void signal() { //檢測當前執行緒是否為擁有鎖的獨 if (!isHeldExclusively()) throw new IllegalMonitorStateException(); //頭節點,喚醒條件佇列中的第一個節點 Node first = firstWaiter; if (first != null) doSignal(first); //喚醒 } |
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該方法首先會判斷當前執行緒是否已經獲得了鎖,這是前置條件。然後呼叫
#doSignal(Node first)
方法,喚醒條件佇列中的頭節點。程式碼如下:private void doSignal(Node first) { do { //修改頭結點,完成舊頭結點的移出工作 if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null) lastWaiter = null; first.nextWaiter = null; } while (!transferForSignal(first) && (first = firstWaiter) != null); }
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主要是做兩件事:1)修改頭節點;2)呼叫
#transferForSignal(Node first)
方法將節點移動到 CLH 同步佇列中。程式碼如下:final boolean transferForSignal(Node node) { //將該節點從狀態CONDITION改變為初始狀態0, if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0)) return false; //將節點加入到syn佇列中去,返回的是syn佇列中node節點前面的一個節點 Node p = enq(node); int ws = p.waitStatus; //如果結點p的狀態為cancel 或者修改waitStatus失敗,則直接喚醒 if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL)) LockSupport.unpark(node.thread); return true; }
- x
-
整個通知的流程如下:
- 判斷當前執行緒是否已經獲取了鎖,如果沒有獲取則直接丟擲異常,因為獲取鎖為通知的前置條件。
- 如果執行緒已經獲取了鎖,則將喚醒條件佇列的首節點
- 喚醒首節點是先將條件佇列中的頭節點移出,然後呼叫 AQS 的
#enq(Node node)
方法將其安全地移到 CLH 同步佇列中 - 最後判斷如果該節點的同步狀態是否為
Node.CANCEL
,或者修改狀態為Node.SIGNAL
失敗時,則直接呼叫 LockSupport 喚醒該節點的執行緒。
2.3.2 signalAll
老艿艿:感興趣的胖友,自己去檢視。
2.4 總結
一個執行緒獲取鎖後,通過呼叫 Condition 的 #await()
方法,會將當前執行緒先加入到條件佇列中,然後釋放鎖,最後通過 #isOnSyncQueue(Node node)
方法,不斷自檢看節點是否已經在 CLH 同步隊列了,如果是則嘗試獲取鎖,否則一直掛起。
當執行緒呼叫 #signal()
方法後,程式首先檢查當前執行緒是否獲取了鎖,然後通過#doSignal(Node first)
方法喚醒CLH同步佇列的首節點。被喚醒的執行緒,將從 #await()
方法中的 while
迴圈中退出來,然後呼叫 #acquireQueued(Node node, int arg)
方法競爭同步狀態。
3. Condition 的應用
只知道原理,如果不知道使用那就坑爹了,下面是用Condition實現的生產者消費者問題:
public class ConditionTest { private LinkedList<String> buffer; //容器 private int maxSize ; //容器最大 private Lock lock; private Condition fullCondition; private Condition notFullCondition; ConditionTest(int maxSize){ this.maxSize = maxSize; buffer = new LinkedList<String>(); lock = new ReentrantLock(); fullCondition = lock.newCondition(); notFullCondition = lock.newCondition(); } public void set(String string) throws InterruptedException { lock.lock(); //獲取鎖 try { while (maxSize == buffer.size()){ notFullCondition.await(); //滿了,新增的執行緒進入等待狀態 } buffer.add(string); fullCondition.signal(); } finally { lock.unlock(); //記得釋放鎖 } } public String get() throws InterruptedException { String string; lock.lock(); try { while (buffer.size() == 0){ fullCondition.await(); } string = buffer.poll(); notFullCondition.signal(); } finally { lock.unlock(); } return string; } } |