j.u.c系列（06）---之锁条件：Condition
写在前面
在没有Lock之前，我们使用synchronized来控制同步，配合Object的wait()、notify()系列方法可以实现等待/通知模式。在Java SE5后，Java提供了Lock接口，相对于Synchronized而言，Lock提供了条件Condition，对线程的等待、唤醒操作更加详细和灵活。
Condition简介
Condition的作用是对锁进行更精确的控制。Condition中的await()方法相当于Object的wait()方法，Condition中的signal()方法相当于Object的notify()方法，Condition中的signalAll()相当于Object的notifyAll()方法。不同的是，Object中的wait(),notify(),notifyAll()方法是和"同步锁"(synchronized关键字)捆绑使用的；而Condition是需要与"互斥锁"/"共享锁"捆绑使用的。
void await() // 造成当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态。 boolean await(long time, TimeUnit unit) // 造成当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态。 long awaitNanos(long nanosTimeout) // 造成当前线程在接到信号之前一直处于等待状态。【注意：该方法对中断不敏感】 void awaitUninterruptibly() // 造成当前线程在接到信号、被中断或到达指定最后期限之前一直处于等待状态。 boolean awaitUntil(Date deadline) // 唤醒一个等待线程。 void signal() // 唤醒所有等待线程。 void signalAll()
Condtion的实现
获取一个Condition必须要通过Lock的newCondition()方法。该方法定义在接口Lock下面，返回的结果是绑定到此 Lock 实例的新 Condition 实例。Condition为一个接口，其下仅有一个实现类ConditionObject，由于Condition的操作需要获取相关的锁，而AQS则是同步锁的实现基础，所以ConditionObject则定义为AQS的内部类。定义如下：
public abstract class AbstractQueuedLongSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable { public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {} }
等待队列
每个Condition对象都包含着一个FIFO队列，该队列是Condition对象通知/等待功能的关键。在队列中每一个节点都包含着一个线程引用，该线程就是在该Condition对象上等待的线程。我们看Condition的定义就明白了：
public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable { private static final long serialVersionUID = 1173984872572414699L; //头节点 private transient Node firstWaiter; //尾节点 private transient Node lastWaiter; public ConditionObject() { } /** 省略方法 **/ }
从上面代码可以看出Condition拥有首节点（firstWaiter），尾节点（lastWaiter）。当前线程调用await()方法，将会以当前线程构造成一个节点（Node），并将节点加入到该队列的尾部。结构如下：
Node里面包含了当前线程的引用。Node定义与AQS的CLH同步队列的节点使用的都是同一个类（AbstractQueuedSynchronized.Node静态内部类）。
Condition的队列结构比CLH同步队列的结构简单些，新增过程较为简单只需要将原尾节点的nextWaiter指向新增节点，然后更新lastWaiter即可。
等待（await）
调用Condition的await()方法会使当前线程进入等待状态，同时会加入到Condition等待队列同时释放锁。当从await()方法返回时，当前线程一定是获取了Condition相关连的锁。
public final void await() throws InterruptedException { // 当前线程中断 if (Thread.interrupted()) throw new InterruptedException(); //当前线程加入等待队列 Node node = addConditionWaiter(); //释放锁 long savedState = fullyRelease(node); int interruptMode = 0; /** * 检测此节点的线程是否在同步队上，如果不在，则说明该线程还不具备竞争锁的资格，则继续等待 * 直到检测到此节点在同步队列上 */ while (!isOnSyncQueue(node)) { //线程挂起 LockSupport.park(this); //如果已经中断了，则退出 if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) break; } //竞争同步状态 if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE) interruptMode = REINTERRUPT; //清理下条件队列中的不是在等待条件的节点 if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled unlinkCancelledWaiters(); if (interruptMode != 0) reportInterruptAfterWait(interruptMode); }
此段代码的逻辑是：首先将当前线程新建一个节点同时加入到条件队列中，然后释放当前线程持有的同步状态。然后则是不断检测该节点代表的线程释放出现在CLH同步队列中（收到signal信号之后就会在AQS队列中检测到），如果不存在则一直挂起，否则参与竞争同步状态。
加入条件队列（addConditionWaiter()）源码如下：
private Node addConditionWaiter() { Node t = lastWaiter; //尾节点 //Node的节点状态如果不为CONDITION，则表示该节点不处于等待状态，需要清除节点 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; } //当前线程新建节点，状态CONDITION Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION); /** * 将该节点加入到条件队列中最后一个位置 */ if (t == null) firstWaiter = node; else t.nextWaiter = node; lastWaiter = node; return node; }
该方法主要是将当前线程加入到Condition条件队列中。当然在加入到尾节点之前会清楚所有状态不为Condition的节点。
fullyRelease(Node node)，负责释放该线程持有的锁。
final long fullyRelease(Node node) { boolean failed = true; try { //节点状态--其实就是持有锁的数量 long savedState = getState(); //释放锁 if (release(savedState)) { failed = false; return savedState; } else { throw new IllegalMonitorStateException(); } } finally { if (failed) node.waitStatus = Node.CANCELLED; } }
isOnSyncQueue(Node node)：如果一个节点刚开始在条件队列上，现在在同步队列上获取锁则返回true
final boolean isOnSyncQueue(Node node) { //状态为Condition，获取前驱节点为null，返回false if (node.waitStatus == Node.CONDITION || node.prev == null) return false; //后继节点不为null，肯定在CLH同步队列中 if (node.next != null) return true; return findNodeFromTail(node); }
unlinkCancelledWaiters()：负责将条件队列中状态不为Condition的节点删除
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.nextWaiter = next; if (next == null) lastWaiter = trail; } else trail = t; t = next; } }
通知（signal）
调用Condition的signal()方法，将会唤醒在等待队列中等待最长时间的节点（条件队列里的首节点），在唤醒节点前，会将节点移到CLH同步队列中。
public final void signal() { //检测当前线程是否为拥有锁的独 if (!isHeldExclusively()) throw new IllegalMonitorStateException(); //头节点，唤醒条件队列中的第一个节点 Node first = firstWaiter; if (first != null) doSignal(first); //唤醒 }
该方法首先会判断当前线程是否已经获得了锁，这是前置条件。然后唤醒条件队列中的头节点。
doSignal(Node first)：唤醒头节点
private void doSignal(Node first) { do { //修改头结点，完成旧头结点的移出工作 if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null) lastWaiter = null; first.nextWaiter = null; } while (!transferForSignal(first) && (first = firstWaiter) != null); }
doSignal(Node first)主要是做两件事：1.修改头节点，2.调用transferForSignal(Node first) 方法将节点移动到CLH同步队列中。transferForSignal(Node first)源码如下：
final boolean transferForSignal(Node node) { //将该节点从状态CONDITION改变为初始状态0, if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0)) return false; //将节点加入到syn队列中去，返回的是syn队列中node节点前面的一个节点 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; }
整个通知的流程如下：
- 判断当前线程是否已经获取了锁，如果没有获取则直接抛出异常，因为获取锁为通知的前置条件。
- 如果线程已经获取了锁，则将唤醒条件队列的首节点
- 唤醒首节点是先将条件队列中的头节点移出，然后调用AQS的enq(Node node)方法将其安全地移到CLH同步队列中
- 最后判断如果该节点的同步状态是否为Cancel，或者修改状态为Signal失败时，则直接调用LockSupport唤醒该节点的线程。
总结
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条件队列中，然后释放锁，最后通过isOnSyncQueue(Node node)方法不断自检看节点是否已经在CLH同步队列了，如果是则尝试获取锁，否则一直挂起。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)方法唤醒CLH同步队列的首节点。被唤醒的线程，将从await()方法中的while循环中退出来，然后调用acquireQueued()方法竞争同步状态。
synchronized原理
synchronized原理在java中，每一个对象有且仅有一个同步锁。这也意味着，同步锁是依赖于对象而存在。
当我们调用某对象的synchronized方法时，就获取了该对象的同步锁。例如，synchronized(obj)就获取了“obj这个对象”的同步锁。
不同线程对同步锁的访问是互斥的。也就是说，某时间点，对象的同步锁只能被一个线程获取到！通过同步锁，我们就能在多线程中，实现对“对象/方法”的互斥访问。 例如，现在有两个线程A和线程B，它们都会访问“对象obj的同步锁”。假设，在某一时刻，线程A获取到“obj的同步锁”并在执行一些操作；而此时，线程B也企图获取“obj的同步锁” —— 线程B会获取失败，它必须等待，直到线程A释放了“该对象的同步锁”之后线程B才能获取到“obj的同步锁”从而才可以运行。
synchronized基本规则
synchronized基本规则我们将synchronized的基本规则总结为下面3条，并通过实例对它们进行说明。
第一条: 当一个线程访问“某对象”的“synchronized方法”或者“synchronized代码块”时，其他线程对“该对象”的该“synchronized方法”或者“synchronized代码块”的访问将被阻塞。
第二条: 当一个线程访问“某对象”的“synchronized方法”或者“synchronized代码块”时，其他线程仍然可以访问“该对象”的非同步代码块。
第三条: 当一个线程访问“某对象”的“synchronized方法”或者“synchronized代码块”时，其他线程对“该对象”的其他的“synchronized方法”或者“synchronized代码块”的访问将被阻塞。
实例锁 -- 锁在某一个实例对象上。如果该类是单例，那么该锁也具有全局锁的概念。
实例锁对应的就是synchronized关键字。
全局锁 -- 该锁针对的是类，无论实例多少个对象，那么线程都共享该锁。
全局锁对应的就是static synchronized（或者是锁在该类的class或者classloader对象上）。
Condtion的实现
import java.util.concurrent.locks.Lock; import java.util.concurrent.locks.Condition; import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; class BoundedBuffer { final Lock lock = new ReentrantLock(); final Condition notFull = lock.newCondition(); final Condition notEmpty = lock.newCondition(); final Object[] items = new Object[5]; int putptr, takeptr, count; public void put(Object x) throws InterruptedException { lock.lock(); //获取锁 try { // 如果“缓冲已满”，则等待；直到“缓冲”不是满的，才将x添加到缓冲中。 while (count == items.length) notFull.await(); // 将x添加到缓冲中 items[putptr] = x; // 将“put统计数putptr+1”；如果“缓冲已满”，则设putptr为0。 if (++putptr == items.length) putptr = 0; // 将“缓冲”数量+1 ++count; // 唤醒take线程，因为take线程通过notEmpty.await()等待 notEmpty.signal(); // 打印写入的数据 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " put "+ (Integer)x); } finally { lock.unlock(); // 释放锁 } } public Object take() throws InterruptedException { lock.lock(); //获取锁 try { // 如果“缓冲为空”，则等待；直到“缓冲”不为空，才将x从缓冲中取出。 while (count == 0) notEmpty.await(); // 将x从缓冲中取出 Object x = items[takeptr]; // 将“take统计数takeptr+1”；如果“缓冲为空”，则设takeptr为0。 if (++takeptr == items.length) takeptr = 0; // 将“缓冲”数量-1 --count; // 唤醒put线程，因为put线程通过notFull.await()等待 notFull.signal(); // 打印取出的数据 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " take "+ (Integer)x); return x; } finally { lock.unlock(); // 释放锁 } } } public class ConditionTest2 { private static BoundedBuffer bb = new BoundedBuffer(); public static void main(String[] args) { // 启动10个“写线程”，向BoundedBuffer中不断的写数据(写入0-9)； // 启动10个“读线程”，从BoundedBuffer中不断的读数据。 for (int i=0; i<10; i++) { new PutThread("p"+i, i).start(); new TakeThread("t"+i).start(); } } static class PutThread extends Thread { private int num; public PutThread(String name, int num) { super(name); this.num = num; } public void run() { try { Thread.sleep(1); // 线程休眠1ms bb.put(num); // 向BoundedBuffer中写入数据 } catch (InterruptedException e) { } } } static class TakeThread extends Thread { public TakeThread(String name) { super(name); } public void run() { try { Thread.sleep(10); // 线程休眠1ms Integer num = (Integer)bb.take(); // 从BoundedBuffer中取出数据 } catch (InterruptedException e) { } } } }
p1 put 1 p4 put 4 p5 put 5 p0 put 0 p2 put 2 t0 take 1 p3 put 3 t1 take 4 p6 put 6 t2 take 5 p7 put 7 t3 take 0 p8 put 8 t4 take 2 p9 put 9 t5 take 3 t6 take 6 t7 take 7 t8 take 8 t9 take 9
(01) BoundedBuffer 是容量为5的缓冲，缓冲中存储的是Object对象，支持多线程的读/写缓冲。多个线程操作“一个BoundedBuffer对象”时，它们通过互斥锁lock对缓冲区items进行互斥访问；而且同一个BoundedBuffer对象下的全部线程共用“notFull”和“notEmpty”这两个Condition。
notFull用于控制写缓冲，notEmpty用于控制读缓冲。当缓冲已满的时候，调用put的线程会执行notFull.await()进行等待；当缓冲区不是满的状态时，就将对象添加到缓冲区并将缓冲区的容量count+1，最后，调用notEmpty.signal()缓冲notEmpty上的等待线程(调用notEmpty.await的线程)。 简言之，notFull控制“缓冲区的写入”，当往缓冲区写入数据之后会唤醒notEmpty上的等待线程。
同理，notEmpty控制“缓冲区的读取”，当读取了缓冲区数据之后会唤醒notFull上的等待线程。
(02) 在ConditionTest2的main函数中，启动10个“写线程”，向BoundedBuffer中不断的写数据(写入0-9)；同时，也启动10个“读线程”，从BoundedBuffer中不断的读数据。
