Java并发（十一）：Condition条件
先做总结：
1、为什么使用Condition条件？
synchronized配合Object的wait()、notify()系列方法可以实现等待/通知模式。
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。
2、Condition条件实现原理：
（1）lock.newCondition()，new一个ConditionObject对象，ConditionObject有一个单向等待队列
（2）condition等待队列：线程已经拿到锁，但是因为不满足某个条件，被放入等待队列并释放锁，不能获取锁
AQS同步队列：线程抢锁失败，被放入AQS阻塞队列，等前面线程释放锁之后自己再获取锁
（3）await()：当前线程T加入条件等待队列 释放锁 park()当前线程
signal()：当前线程T节点出条件等待队列 T节点加入AQS同步队列 unpark()T线程
一、Condition实现生产者消费者问题
class BoundedBuffer { final Lock lock = new ReentrantLock(); // condition 依赖于 lock 来产生 final Condition notFull = lock.newCondition(); final Condition notEmpty = lock.newCondition(); final Object[] items = new Object[100]; int putptr, takeptr, count; // 生产 public void put(Object x) throws InterruptedException { lock.lock(); try { while (count == items.length) notFull.await(); // 队列已满，等待，直到 not full 才能继续生产 items[putptr] = x; if (++putptr == items.length) putptr = 0; ++count; notEmpty.signal(); // 生产成功，队列已经 not empty 了，发个通知出去 } finally { lock.unlock(); } } // 消费 public Object take() throws InterruptedException { lock.lock(); try { while (count == 0) notEmpty.await(); // 队列为空，等待，直到队列 not empty，才能继续消费 Object x = items[takeptr]; if (++takeptr == items.length) takeptr = 0; --count; notFull.signal(); // 被我消费掉一个，队列 not full 了，发个通知出去 return x; } finally { lock.unlock(); } } }
二、lock与condition关系
// 一个lock可以new多个条件 public static void main(String[] args) { ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); lock.lock(); Condition newCondition1 = lock.newCondition(); newCondition1.await(); newCondition1.signal(); Condition newCondition2 = lock.newCondition(); newCondition2.await(); newCondition2.signal(); lock.unlock(); } // ReentrantLock.newCondition() public Condition newCondition() { return sync.newCondition(); } // ReentrantLock.Sync.newCondition() final ConditionObject newCondition() { return new ConditionObject(); }
三、条件队列
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（使用的AQS的节点）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。
public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable { private static final long serialVersionUID = 1173984872572414699L; private transient Node firstWaiter; //头节点 private transient Node lastWaiter; //尾节点 public ConditionObject() { } /** * 通过addConditionWaiter()方法理解等待队列数据结构 * 将当前线程加入条件等待队列 * 1.Node就是AQS的Node * 2.单向链表，通过nextWaiter连接 * 3.waitStatus==Node.CONDITION才能在等待队列中 */ private Node addConditionWaiter() { Node t = lastWaiter; if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) { unlinkCancelledWaiters(); t = lastWaiter; } Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION); if (t == null) firstWaiter = node; else t.nextWaiter = node; lastWaiter = node; return node; } /** * 清除队列中不是等待状态的线程 */ private void unlinkCancelledWaiters() { Node t = firstWaiter; Node trail = null; // 用于保存前一个节点 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; } } }
四、等待await()
public final void await() throws InterruptedException { if (Thread.interrupted()) throw new InterruptedException(); Node node = addConditionWaiter(); // 当前线程new Node()加入条件队列 int savedState = fullyRelease(node); // 释放当先线程的锁 int interruptMode = 0; /** * 自旋： * 1.当前节点不在同步队列(刚new的节点肯定不在)，挂起当前线程，等待被唤醒 * 2.当其他线程调用同一个ConditionObject的signal方法时，会将队列里的节点放入同步队列，并unpark线程（排队唤醒） * 3.如果该节点被唤醒，再自旋检查是否在同步队列。发现已经在队列中，就可以跳出循环，获取lock */ while (!isOnSyncQueue(node)) { LockSupport.park(this); if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) // 处理打断 break; } if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE) // 获取锁 interruptMode = REINTERRUPT; if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled unlinkCancelledWaiters(); if (interruptMode != 0) reportInterruptAfterWait(interruptMode); }
五、唤醒signal()
public final void signal() { if (!isHeldExclusively()) // 检查是否拿到锁 throw new IllegalMonitorStateException(); Node first = firstWaiter; if (first != null) doSignal(first); } private void doSignal(Node first) { do { if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null) lastWaiter = null; first.nextWaiter = null; } while (!transferForSignal(first) && // 唤醒队列第一个节点 (first = firstWaiter) != null); } final boolean transferForSignal(Node node) { if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0)) return false; Node p = enq(node); // 加入同步队列 int ws = p.waitStatus; if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL)) LockSupport.unpark(node.thread); // 唤醒线程 return true; }
await() ：造成当前线程在接到信号或被中断之前一直处于等待状态。
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。
awaitNanos(long nanosTimeout) ：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。返回值表示剩余时间，如果在nanosTimesout之前唤醒，那么返回值 = nanosTimeout – 消耗时间，如果返回值 <= 0 ,则可以认定它已经超时了。
awaitUninterruptibly() ：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】。
awaitUntil(Date deadline) ：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。如果没有到指定时间就被通知，则返回true，否则表示到了指定时间，返回返回false。
signal()：唤醒一个等待线程。该线程从等待方法返回前必须获得与Condition相关的锁。
signal()All：唤醒所有等待线程。能够从等待方法返回的线程必须获得与Condition相关的锁。
