JAVA并发-Condition
简介
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。下图是Condition与Object的监视器方法的对比（摘自《Java并发编程的艺术》）：
Condition提供了一系列的方法来对阻塞和唤醒线程：
- 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。
- signalAll() ：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。
Condition是一种广义上的条件队列。他为线程提供了一种更为灵活的等待/通知模式，线程在调用await方法后执行挂起操作，直到线程等待的某个条件为真时才会被唤醒。Condition必须要配合锁一起使用，因为对共享状态变量的访问发生在多线程环境下。一个Condition的实例必须与一个Lock绑定，因此Condition一般都是作为Lock的内部实现。
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 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
等待队列：即ConditionObject构建的Node单向链表队列，一个lock可以有多个等待队列
同步队列：即AQS内部类Node构建的FIFO的双向链表队列，也叫CLH同步队列，一个lock只能有一个同步队列
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)方法唤醒等待队列的首节点。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。
图1
图2
上面这个gif动画中，调用await的线程,先进入到条件队列,而不是等待队列
应用
下面是JAVA官方提供的生产消费模式案例：
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class Main {
public static void main(String[] args) {
final BoundedBuffer boundedBuffer = new BoundedBuffer();
Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("t1 run");
for (int i=0;i<20;i++) {
try {
System.out.println("putting..");
boundedBuffer.put(Integer.valueOf(i));
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}) ;
Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int i=0;i<20;i++) {
try {
Object val = boundedBuffer.take();
System.out.println(val);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}) ;
t1.start();
t2.start();
}
/**
* BoundedBuffer 是一个定长100的集合，当集合中没有元素时，take方法需要等待，直到有元素时才返回元素
* 当其中的元素数达到最大值时，要等待直到元素被take之后才执行put的操作
* @author yukaizhao
*
*/
static class BoundedBuffer {
final Lock lock = new ReentrantLock();
final Condition notFull = lock.newCondition();
final Condition notEmpty = lock.newCondition();
final Object[] items = new Object[100];
int putptr, takeptr, count;
public void put(Object x) throws InterruptedException {
System .out.println("put wait lock");
lock.lock();
System.out.println("put get lock");
try {
while (count == items.length) {
System.out.println("buffer full, please wait");
notFull.await();
}
items[putptr] = x;
if (++putptr == items.length)
putptr = 0;
++count;
notEmpty.signal();
} finally {
lock.unlock();
}
}
public Object take() throws InterruptedException {
System.out.println("take wait lock");
lock.lock();
System.out.println("take get lock");
try {
while (count == 0) {
System.out.println("no elements, please wait");
notEmpty.await();
}
Object x = items[takeptr];
if (++takeptr == items.length)
takeptr = 0;
--count;
notFull.signal();
return x;
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
}
参考：
Java锁详解(二)------ LockSupport 与 Condition
