JUC.Condition学习笔记

目录

Condition的概念

大体实现流程

　　I.初始化状态
　　II.await()*作
　　III.signal()*作

3个主要方法

　　Condition的数据结构
　　线程何时阻塞和释放
　　await()方法
　　signal()和signalAll()方法

Condition示例：生产者和消费者

JUC提供了Lock可以方便的进行锁*作，但是有时候我们也需要对线程进行条件*的阻塞和唤醒，这时我们就需要condition条件变量，它就像是在线程上加了多个开关，可以方便的对持有锁的线程进行阻塞和唤醒。

Condition的概念
Condition主要是为了在J.U.C框架中提供和Java传统的监视器风格的wait，notify和notifyAll方法类似的功能。
 
JDK的官方解释如下：
条件（也称为条件队列 或条件变量）为线程提供了一个含义，以便在某个状态条件现在可能为 true 的另一个线程通知它之前，一直挂起该线程（即让其“等待”）。因为访问此共享状态信息发生在不同的线程中，所以它必须受保护，因此要将某种形式的锁与该条件相关联。等待提供一个条件的主要属*是：以原子方式 释放相关的锁，并挂起当前线程，就像 Object.wait 做的那样。
Condition实质上是被绑定到一个锁上。
 
在JUC锁机制(Lock)学习笔记中，我们了解到AQS有一个队列，同样Condition也有一个等待队列，两者是相对独立的队列，因此一个Lock可以有多个Condition，Lock(AQS)的队列主要是阻塞线程的，而Condition的队列也是阻塞线程，但是它是有阻塞和通知解除阻塞的功能
Condition阻塞时会释放Lock的锁，阻塞流程请看下面的Condition的await()方法。
大体实现流程
AQS等待队列与Condition队列是两个相互独立的队列
await()就是在当前线程持有锁的基础上释放锁资源，并新建Condition节点加入到Condition的队列尾部，阻塞当前线程
signal()就是将Condition的头节点移动到AQS等待节点尾部，让其等待再次获取锁
 
以下是AQS队列和Condition队列的出入结点的示意图，可以通过这几张图看出线程结点在两个队列中的出入关系和条件。
 
I.初始化状态：AQS等待队列有3个Node，Condition队列有1个Node(也有可能1个都没有)

II.节点1执行Condition.await()
1.将head后移
2.释放节点1的锁并从AQS等待队列中移除
3.将节点1加入到Condition的等待队列中
4.更新lastWaiter为节点1

III.节点2执行signal()*作
5.将firstWaiter后移
6.将节点4移出Condition队列
7.将节点4加入到AQS的等待队列中去
8.更新AQS的等待队列的tail

3个主要方法
Condition的数据结构
我们知道一个Condition可以在多个地方被await()，那么就需要一个FIFO的结构将这些Condition串联起来，然后根据需要唤醒一个或者多个（通常是所有）。所以在Condition内部就需要一个FIFO的队列。
private transient Node firstWaiter;
private transient Node lastWaiter;
上面的两个节点就是描述一个FIFO的队列。我们再结合前面提到的节点（Node）数据结构。我们就发现Node.nextWaiter就派上用场了！nextWaiter就是将一系列的Condition.await*串联起来组成一个FIFO的队列。
线程何时阻塞和释放
阻塞：await()方法中，在线程释放锁资源之后，如果节点不在AQS等待队列，则阻塞当前线程，如果在等待队列，则自旋等待尝试获取锁
释放：signal()后，节点会从condition队列移动到AQS等待队列，则进入正常锁的获取流程
await方法
ReentrantLock是独占锁，一个线程拿到锁后如果不释放，那么另外一个线程肯定是拿不到锁，所以在lock.lock()和lock.unlock()之间可能有一次释放锁的*作（同样也必然还有一次获取锁的*作）。在进入lock.lock()后唯一可能释放锁的*作就是await()了。也就是说await()*作实际上就是释放锁，然后挂起线程，一旦条件满足就被唤醒，再次获取锁！
 
 Java Code 
  
public final void await() throws InterruptedException {
    // 1.如果当前线程被中断，则抛出中断异常
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    // 2.将节点加入到Condition队列中去，这里如果lastWaiter是cancel状态，那么会把它踢出Condition队列。
    Node node = addConditionWaiter();
    // 3.调用tryRelease，释放当前线程的锁
    long savedState = fullyRelease(node);
    int interruptMode = 0;
    // 4.为什么会有在AQS的等待队列的判断？
    // 解答：signal*作会将Node从Condition队列中拿出并且放入到等待队列中去，在不在AQS等待队列就看signal是否执行了
    // 如果不在AQS等待队列中，就park当前线程，如果在，就退出循环，这个时候如果被中断，那么就退出循环
    while (!isOnSyncQueue(node)) {
        LockSupport.park(this);
        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
            break;
    }
    // 5.这个时候线程已经被signal()或者signalAll()*作给唤醒了，退出了4中的while循环
    // 自旋等待尝试再次获取锁，调用acquireQueued方法
    if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
        interruptMode = REINTERRUPT;
    if (node.nextWaiter != null)
        unlinkCancelledWaiters();
    if (interruptMode != 0)
        reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}
 
整个await的过程如下：
　　1.将当前线程加入Condition锁队列。特别说明的是，这里不同于AQS的队列，这里进入的是Condition的FIFO队列。进行2。
　　2.释放锁。这里可以看到将锁释放了，否则别的线程就无法拿到锁而发生死锁。进行3。
　　3.自旋(while)挂起，直到被唤醒或者超时或者CACELLED等。进行4。
　　4.获取锁(acquireQueued)。并将自己从Condition的FIFO队列中释放，表明自己不再需要锁（我已经拿到锁了）。
可以看到，这个await的*作过程和Object.wait()方法是一样，只不过await()采用了Condition队列的方式实现了Object.wait()的功能。
signal和signalAll方法
await*()清楚了，现在再来看signal/signalAll就容易多了。按照signal/signalAll的需求，就是要将Condition.await*()中FIFO队列中第一个Node唤醒（或者全部Node）唤醒。尽管所有Node可能都被唤醒，但是要知道的是仍然只有一个线程能够拿到锁，其它没有拿到锁的线程仍然需要自旋等待，就上上面提到的第4步(acquireQueued)。

 Java Code 
  
public final void signal() {
    if (!isHeldExclusively())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    Node first = firstWaiter;
    if (first != null)
        doSignal(first);
}
这里先判断当前线程是否持有锁，如果没有持有，则抛出异常，然后判断整个condition队列是否为空，不为空则调用doSignal方法来唤醒线程，看看doSignal方法都干了一些什么：
 Java Code 
  
private void doSignal(Node first) {
    do {
        if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
            lastWaiter = null;
        first.nextWaiter = null;
    } while (!transferForSignal(first) &&
             (first = firstWaiter) != null);
}

上面的代*很容易看出来，signal就是唤醒Condition队列中的第一个非CANCELLED节点线程，而signalAll就是唤醒所有非CANCELLED节点线程。当然了遇到CANCELLED线程就需要将其从FIFO队列中剔除。
 
 Java Code 
  
final boolean transferForSignal(Node node) {
    /*
     * 设置node的waitStatus：Condition->0
     */
    if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
        return false;

    /*
     * 加入到AQS的等待队列，让节点继续获取锁
     * 设置前置节点状态为SIGNAL
     */
    Node p = enq(node);
    int c = p.waitStatus;
    if (c > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, c, Node.SIGNAL))
        LockSupport.unpark(node.thread);
    return true;
}
 
上面就是唤醒一个await*()线程的过程，根据前面的介绍，如果要unpark线程，并使线程拿到锁，那么就需要线程节点进入AQS的队列。所以可以看到在LockSupport.unpark之前调用了enq(node)*作，将当前节点加入到AQS队列。
 
signalAll和signal方法类似，主要的不同在于它不是调用doSignal方法，而是调用doSignalAll方法：
 Java Code 
  
private void doSignalAll(Node first) {
    lastWaiter = firstWaiter  = null;
    do {
        Node next = first.nextWaiter;
        first.nextWaiter = null;
        transferForSignal(first);
        first = next;
    } while (first != null);
}
这个方法就相当于把Condition队列中的所有Node全部取出插入到等待队列中去。

Condition应用示例：生产者和消费者
Condition 实例实质上被绑定到一个锁上。要为特定 Lock 实例获得 Condition 实例，请使用其 newCondition() 方法。在最后我们来看一个应用示例
 Java Code 
  
/**
 * 生产者、消费者示例
 */
public class ConditionTest {
    private int storage;
    private int putCounter;
    private int getCounter;
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    private Condition putCondition = lock.newCondition();
    private Condition getCondition = lock.newCondition();

    public void put() throws InterruptedException {
        try {
            lock.lock();
            if (storage > 0) {
                putCondition.await();
            }
            storage++;
            System.out.println("put => " + ++putCounter );
            getCondition.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void get() throws InterruptedException {
        try {
            lock.lock();
            lock.lock();
            if (storage <= 0) {
                getCondition.await();
            }
            storage--;
            System.out.println("get  => " + ++getCounter);
            putCondition.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
            lock.unlock();
        }
    }

    public class PutThread extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
                try {
                    put();
                } catch (InterruptedException e) {
                }
            }
        }
    }

    public class GetThread extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
                try {
                    get();
                } catch (InterruptedException e) {
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        final ConditionTest test = new ConditionTest();
        Thread put = test.new PutThread();
        Thread get = test.new GetThread();
        put.start();
        get.start();
    }