Condition 和 ConditionObject

敲代码不如跳舞
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1. 简介

任意一个Java对象，都拥有一组监视器方法（定义在Object），主要包括以下方法：

wait()
wait(long timeout)
notify()
notifyAll()

这些方法与synchronized同步关键字配合使用时，可以实现等待/通知模式。 Condition接口也提供了类似Object的监视器方法，与Lock配合可以实现等待/通知模式。方法如下所示：

void await() throws InterruptedException; 								当前线程进入等待直到被通知或中断
boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException; 	当前线程进入等待直到被通知或中断或超时
long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException; 		当前线程进入等待直到被通知或中断或超时
void awaitUninterruptibly(); 											当前线程进入等待直到被通知
boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException; 			当前线程进入等待直到被通知或中断或到某个时间
void signal(); 															唤醒一个等待在Condition上的线程，该线程从等待方法返回前必须获得与Condition相关联的锁
void signalAll(); 														唤醒所有等待在Condition上的线程，能够从等待方法返回的线程必须获得与Condition相关联的锁

2. 使用

Condition的类注释文档中给了一个有界缓冲区的例子，如下所示：该例子使用了两个条件队列，分别用于缓冲区满或者空的条件等待。

/**
 * 有界缓冲区
 */
static class BoundedBuffer {
    final Lock lock = new ReentrantLock();

    /**
     * 条件：不为满
     */
    final Condition notFull = lock.newCondition();
    /**
     * 条件：不为空
     */
    final Condition notEmpty = lock.newCondition();

    /**
     * 缓冲区
     */
    final Object[] items = new Object[10];
    /**
     * putptr:  进缓冲区的下标
     * takeptr: 出缓冲区的下标
     * count:   缓冲区内存在的数量
     */
    int putptr, takeptr, count;

    /**
     * 往缓冲区里加
     */
    public void put(Object x) throws InterruptedException {
        // 执行await或者signal之前得先获取锁
        lock.lock();
        try {
            // 满了, notFull wait
            while (count == items.length)
                notFull.await();
            items[putptr] = x;

            // 如果到尾了, 从0开始
            if (++putptr == items.length) putptr = 0;
            ++count;

            // 往缓冲区里加了, 则需要唤醒因为缓冲区空了而在等待的notEmpty条件队列
            notEmpty.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    /**
     * 往缓冲区里取
     */
    public Object take() throws InterruptedException {
        // 执行await或者signal之前得先获取锁
        lock.lock();
        try {
            // 空了, notEmpty wait
            while (count == 0)
                notEmpty.await();
            Object x = items[takeptr];

            // 如果到尾了, 从0开始
            if (++takeptr == items.length) takeptr = 0;
            --count;

            // 从缓冲区里取了, 则需要唤醒因为缓冲区满了而在等待的notEmpty条件队列
            notFull.signal();
            return x;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}


@Test
public void test_condition_use() throws InterruptedException {
    BoundedBuffer boundedBuffer = new BoundedBuffer();

    Thread thread1 = new Thread(() -> {
        while (true) {
            try {
                boundedBuffer.put(new Object());
            } catch (InterruptedException ignore) {
            }
        }
    });
    
    Thread thread2 = new Thread(() -> {
        while (true) {
            try {
                boundedBuffer.take();
            } catch (InterruptedException ignore) {
            }
        }
    });

    thread1.start();
    thread2.start();
    thread1.join();
    thread2.join();
}

3. 详解

接下来，看一下条件等待队列是如何实现的，从上文的例子可知，Condition是通过ReentrantLock的newCondition方法获取的，阅读ReentrantLock源码可知，是由内部类Sync实现的该方法，如下所示：

final ConditionObject newCondition() {
    return new ConditionObject();
}

ConditionObject为Condition的实现类，在AQS中可以找到该类，接下来主要对该类进行分析。

3.1 成员变量

ConditionObject类的成员变量较为简单，如下所示：

/**
 * 条件等待队列的头结点
 */
private transient Node firstWaiter;
/**
 * 条件等待队列的尾结点
 */
private transient Node lastWaiter;

3.2 方法

3.2.1 addConditionWaiter方法

addConditionWaiter方法主要用来将当前线程加入到条件等待队列。代码如下所示： ps：unlinkCancelledWaiters方法是用来移除条件等待队列中状态不为CONDITION的节点。

/**
 * 将当前线程封装为一个Node加入条件等待队列中
 */
private Node addConditionWaiter() {
    Node t = lastWaiter;

    // 最后一个节点是取消状态, 将处于取消状态的节点从等待队列中移除
    if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
        unlinkCancelledWaiters();
        t = lastWaiter;
    }
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);

    // 队列为空
    if (t == null)
        firstWaiter = node;
        // 队列不为空, 将节点挂到队列尾
    else
        t.nextWaiter = node;
    lastWaiter = node;
    return node;
}

3.2.2 fullyRelease方法

fullyRelease方法用来释放当前锁持有的同步状态，线程进入await方法之前肯定是获取同步状态了的，所以此处需要将其释放，并将同步状态记录下来（即saveState该方法的返回值），之后再次唤醒时需要重新获取该同步状态。 此处注意一个参数failed，在release方法中会调用子类实现的tryRelease方法，如果当前线程没有持有锁锁就进行release会抛出IllegalMonitorStateException。 ps：release方法中还会唤醒当前节点的后继节点。

final int fullyRelease(Node node) {
    boolean failed = true;
    try {
        // 获取同步状态, 这些状态肯定是当前线程获取的, 因为是独占锁
        int savedState = getState();
        // 释放同步状态, 返回
        if (release(savedState)) {
            failed = false;
            return savedState;
        } else {
            throw new IllegalMonitorStateException();
        }
    } finally {
        // 如果失败了, 将当前节点的状态置为CANCELLED
        // 失败的情况: 当前线程没有持有锁, 在tryRelease抛出IllegalMonitorStateException
        if (failed)
            node.waitStatus = Node.CANCELLED;
    }
}

/**
 * 释放同步状态
 */
public final boolean release(int arg) {
    // 调用子类实现的模板方法释放同步状态
    if (tryRelease(arg)) {

        /**
         * 此时head可能的情况
         * 1. null, 此时无竞争, head没有初始化
         * 2. head是当前线程的节点
         * 3. 在tryRelease之后, 别的线程的节点获取到了锁, 通过setHead方法设置(acquireQueued方法里)
         */
        Node h = head;
        // 唤醒后继节点
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}

3.2.3 isOnSyncQueue方法

isOnSyncQueue方法用于判断节点是否在同步等待队列中。

final boolean isOnSyncQueue(Node node) {
    // 如果状态已经被改为CONDITION
    if (node.waitStatus == Node.CONDITION || node.prev == null)
        return false;
    // (当前节点状态不为CONDITION, 并且有前驱结点)如果有后继节点, 则当前节点肯定在等待队列里了。
    if (node.next != null) // If has successor, it must be on queue
        return true;
    // 从尾节点往前遍历, 查找当前节点
    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;
    }
}

3.2.4 checkInterruptWhileWaiting方法 & transferAfterCancelledWait方法

checkInterruptWhileWaiting方法用于线程被唤醒之后判断在等待期间是否被中断。

/**
 * 检测线程在等待过程中, 是否被中断
 * <p>
 * 中断了 -> 返回 -1 or 1 
 * 未中断 -> 返回0
 */
private int checkInterruptWhileWaiting(Node node) {
    return Thread.interrupted() ?
            (transferAfterCancelledWait(node) ? THROW_IE : REINTERRUPT) :
            0;
}

这里讲一下这几个返回值的含义，对应await方法中的interruptMode

  • interruptMode = 0 没有被中断
  • interruptMode =-1 是在条件队列中被中断的，需要抛出中断异常
  • interruptMode = 1 转移到等待队列之后被中断

如果线程当前被中断，则通过transferAfterCancelledWait判断是-1还是1。

/**
 * @return true -> 在条件队列中被中断的, false -> 被中断时不在条件队列里了
 */
final boolean transferAfterCancelledWait(Node node) {
    // 在从wait状态退出的时候, 需要将节点的状态设置为0并且加入到等待队列
    // 即, 重新加入到锁的竞争中
    // 如果cas成功, 说明节点之前是在条件队列中被中断的
    if (compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0)) {
        enq(node);
        return true;
    }
    // 如果cas失败, 执行到这一步, 那么有两种情况
    // 1. 节点已经被搞到等待队列里了 , 此时!isOnSyncQueue(node)返回false
    // 2. 节点正在被别的线程搞到等待队列里  ,  此时!isOnSyncQueue(node)返回true
    while (!isOnSyncQueue(node))
        // 没在等待队列里, 对应上面第二种情况, 给调度程序示意当前线程愿意放弃当前使用的CPU时间片
        Thread.yield();
    // 返回false, 说明被中断时, 不在条件队列里了
    return false;
}

3.2.5 await方法

await方法主要做的事情：

  1. 将当前线程加入到条件等待队列
  2. 释放当前线程获取的同步状态，唤醒后继节点
  3. 挂起当前线程
  4. 唤醒之后（检查是否被中断），重新获取同步状态

如下图所示：当前节点原先是同步等待队列的头节点（但是node.thread在获取锁时已经被置为null的）。在调用await方法时，会使用当前线程构建一个新的节点加入到条件等待队列，并且会唤醒同步等待队列的后继节点。 aqs-condition-await.png 代码如下所示：

public final void await() throws InterruptedException {
    // 判断当前线程是否被中断
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    // 将当前线程加入到condition队列
    Node node = addConditionWaiter();

    // 释放锁, 因为调用 await 之前获取了锁, 所以需要释放锁
    // savedState为持有的锁数量, 在被唤醒之后需要重新获取
    int savedState = fullyRelease(node);
    
    int interruptMode = 0;
    // 判断是否在等待队列中, 不在则挂起当前线程
    while (!isOnSyncQueue(node)) {
        LockSupport.park(this);
        // 被唤醒之后, 判断是否在等待期间被中断
        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
            break;
    }

    // 执行到这里, 线程已经被加入等待队列

    // 重新获取同步状态
    // acquireQueued(node, savedState)返回true -> 在等待队列中被中断
    // interruptMode != THROW_IE -> 在条件队列中未被中断
    if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
        interruptMode = REINTERRUPT;

    // 如果是被中断唤醒, 那么nextWaiter没有被设置为null; 如果signal唤醒的话, 会设置first.nextWaiter=null
    if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
        // 移除cancelled节点
        unlinkCancelledWaiters();

    // 1重新中断, -1抛出异常
    if (interruptMode != 0)
        reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}

这里解释一下线程被唤醒（即从park中醒过来）的可能性：

  1. 中断唤醒
  2. signal, 在转移到等待队列后, 在transferForSignal中发现前驱节点状态为CANCELLED, 唤醒 （可见下文3.2.7）
  3. signal, 在转移到等待队列后, 在transferForSignal中设置前驱结点状态为SIGNAL未成功, 唤醒（可见下文3.2.7）

3.2.6 signal方法

signal方法的逻辑比较简单，先判断当前显示是否持有锁，然后唤醒条件等待队列的头结点（如果不为空）。代码如下所示：

/**
 * 唤醒条件等待队列的第一个节点
 */
public final void signal() {
    // 判断当前是否拥有锁
    if (!isHeldExclusively())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    Node first = firstWaiter;
    if (first != null)
        doSignal(first);
}

3.2.7 doSignal方法 & transferForSignal方法

doSignal方法主要做的事情：调用transferForSignal方法将first节点从条件等待队列移到同步等待队列中，如果transferForSignal失败则会尝试使用下一个节点。 如下图所示：在signal方法被调用时，会将条件等待队列的首个节点从队列中移除，并加入到同步等待队列中。 aqs-condition-signal.png

代码如下所示：

private void doSignal(Node first) {
    do {
        // firstWaiter = first.nextWaiter : 因为first即将被唤醒出队列, 所以让first等于下一个
        // firstWaiter == null : 队列里无节点了, 把lastWaiter也置为null
        if ((firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
            lastWaiter = null;
        // 断开与下一个节点的关系
        first.nextWaiter = null;
    }

    // !transferForSignal(first) 将当前节点迁移到等待队列
    //          1. true -> 即transferForSignal失败, 继续do（如果队列里还有节点）
    //          2. false-> 即transferForSignal成功, 结束
    // 当第一个条件true, 判断(first = firstWaiter) != null, 即队列里是否还有节点, 决定是不是继续do
    while (!transferForSignal(first) &&
            (first = firstWaiter) != null);
}

final boolean transferForSignal(Node node) {
    // 将节点的状态从CONDITION设置为0
    if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
        return false;

    // 将节点加入到等待队列, 返回之前的tail, 即当前节点的前驱结点
    Node p = enq(node);
    int ws = p.waitStatus;
    
    if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
        LockSupport.unpark(node.thread);
    return true;
}

这里解释一下transferForSignal方法中的第二个if判断的条件： ps：线程被唤醒之后，会继续await方法，调用acquireQueued。

  1. ws > 0 : 说明前驱节点是CANCELLED状态，则需要唤醒当前节点，通过在acquireQueued方法调用shouldParkAfterFailedAcquire方法跳过CANCELLED状态的节点。
  2. **!compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL) **: 在队列尾加了节点之后，如果要进入阻塞则需要将前驱节点的状态设置为SINGAL。此处CAS失败,  则需要唤醒当前节点，通过在acquireQueued方法调用shouldParkAfterFailedAcquire方法设置前驱节点为SIGNAL状态

如果这个if里的条件都不成立，则不需要唤醒该节点，该节点在同步等待队列中等待前驱节点唤醒。

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代码 参考：《Java并发编程的艺术》

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