Java多线程之条件对象Condition
目录
- 1 简介
- 2 Condition的实现分析
- 等待队列
- 等待（await）：AbstractQueuedLongSynchronizer中实现
- Condition等待通知的本质
- 通知（signal）：AbstractQueuedLongSynchronizer中实现
- 3 Condition 实例
- 三个线程依次打印ABC
- 虚假唤醒
- 4、总结
1 简介
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。
2 Condition的实现分析
Condition是同步器AbstractQueuedSynchronized的内部类，因为Condition的操作需要获取相关的锁，所以作为同步器的内部类比较合理。每个Condition对象都包含着一个队列（等待队列），该队列是Condition对象实现等待/通知功能的关键。
等待队列
等待队列是一个FIFO的队列，队列的每一个节点都包含了一个线程引用，该线程就是在Condition对象上等待的线程，如果一个线程调用了await()方法，该线程就会释放锁、构造成节点进入等待队列并进入等待状态。
这里的节点定义也就是AbstractQueuedSynchronizer.Node的定义。
一个Condition包含一个等待队列，Condition拥有首节点（firstWaiter）和尾节点（lastWaiter）。当前线程调用Condition.await()方法时，将会以当前线程构造节点，并将节点从尾部加入等待队列。
在Object的监视器模型上，一个对象拥有一个同步队列和等待队列，而Lock（同步器）拥有一个同步队列和多个等待队列。
等待（await）：AbstractQueuedLongSynchronizer中实现
调用Condition的await()方法，会使当前线程进入等待队列并释放锁，同时线程状态变为等待状态。
从队列的角度来看，相当于同步队列的首节点（获取了锁的节点）移动到Condition的等待队列中。
当等待队列中的节点被唤醒，则唤醒节点的线程开始尝试获取同步状态。如果不是通过Condition.signal()方法唤醒，而是对等待线程进行中断，则抛出InterruptedException。
public final void await() throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
Node node = addConditionWaiter();
long savedState = fullyRelease(node);
int interruptMode = 0;
while (!isOnSyncQueue(node)) {
LockSupport.park(this);
if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
break;
}
if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
interruptMode = REINTERRUPT;
if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
unlinkCancelledWaiters();
if (interruptMode != 0)
reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}
Condition等待通知的本质
总的来说，Condition的本质就是等待队列和同步队列的交互：
当一个持有锁的线程调用Condition.await()时，它会执行以下步骤：
构造一个新的等待队列节点加入到等待队列队尾
释放锁，也就是将它的同步队列节点从同步队列队首移除
自旋，直到它在等待队列上的节点移动到了同步队列（通过其他线程调用signal() ）或被中断
阻塞当前节点，直到它获取到了锁，也就是它在同步队列上的节点排队排到了队首。
当一个持有锁的线程调用Condition.signal()时，它会执行以下操作：
从等待队列的队首开始，尝试对队首节点执行唤醒操作；如果节点CANCELLED，就尝试唤醒下一个节点；如果再CANCELLED则继续迭代。
对每个节点执行唤醒操作时，首先将节点加入同步队列，此时await()操作的步骤3的解锁条件就已经开启了。
然后分两种情况讨论：
如果先驱节点的状态为CANCELLED(>0) 或设置先驱节点的状态为SIGNAL失败，那么就立即唤醒当前节点对应的线程，此时await()方法就会完成步骤3，进入步骤4.
如果成功把先驱节点的状态设置为了SIGNAL，那么就不立即唤醒了。等到先驱节点成为同步队列首节点并释放了同步状态后，会自动唤醒当前节点对应线程的，这时候await()的步骤3才执行完成，而且有很大概率快速完成步骤4.
通知（signal）：AbstractQueuedLongSynchronizer中实现
调用Condition的signal()方法，将会唤醒在等待队列中等待时间最长的节点（首节点），在唤醒节点之前，会将节点移到同步队列中。
Condition的signalAll()方法，相当于对等待队列中的每个节点均执行一次signal()方法，将等待队列中的节点全部移动到同步队列中，并唤醒每个节点的线程。
public final void signal() {
if (!isHeldExclusively())
throw new IllegalMonitorStateException();
Node first = firstWaiter;
if (first != null)
doSignal(first);
}
public final void signalAll() {
if (!isHeldExclusively())
throw new IllegalMonitorStateException();
Node first = firstWaiter;
if (first != null)
doSignalAll(first);
}
最后还要注意,Java 中有 signal 和 signalAll 两种方法,signal 是随机解除一个等待集中的线程的阻塞状态,signalAll 是解除所有等待集中的线程的阻塞状态。signal 方法的效率会比 signalAll 高,但是它存在危险,因为它一次只解除一个线程的阻塞状态,因此,如果等待集中有多个线程都满足了条件,也只能唤醒一个,其他的线程可能会导致死锁
3 Condition 实例
消费生产者模式：
public class ConditionTest {
public static void main(String[] args) {
// 仓库
Depot depot = new Depot(100);
// 消费者
Consumer consumer = new Consumer(depot);
// 生产者
Produce produce = new Produce(depot);
produce.produceThing(5);
consumer.consumerThing(5);
produce.produceThing(2);
consumer.consumerThing(5);
produce.produceThing(3);
}
}
class Depot {
private int capacity;
private int size;
private Lock lock;
private Condition consumerCond;
private Condition produceCond;
public Depot(int capacity) {
this.capacity = capacity;
this.size = 0;
this.lock = new ReentrantLock();
this.consumerCond = lock.newCondition();
this.produceCond = lock.newCondition();
}
public void produce(int val) {
lock.lock();
try {
int left = val;
while (left > 0) {
while (size >= capacity) {
produceCond.await();
}
int produce = (left+size) > capacity ? (capacity-size) : left;
size += produce;
left -= produce;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ", ProduceVal=" + val + ", produce=" + produce + ", size=" + size);
consumerCond.signalAll();
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}
public void consumer(int val) {
lock.lock();
try {
int left = val;
while (left > 0) {
while (size <= 0) {
consumerCond.await();
}
int consumer = (size <= left) ? size : left;
size -= consumer;
left -= consumer;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ", ConsumerVal=" + val + ", consumer=" + consumer + ", size=" + size);
produceCond.signalAll();
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
class Consumer {
private Depot depot;
public Consumer(Depot depot) {
this.depot = depot;
}
public void consumerThing(final int amount) {
new Thread(new Runnable() {
public void run() {
depot.consumer(amount);
}
}).start();
}
}
class Produce {
private Depot depot;
public Produce(Depot depot) {
this.depot = depot;
}
public void produceThing(final int amount) {
new Thread(new Runnable() {
public void run() {
depot.produce(amount);
}
}).start();
}
}
Thread-0, ProduceVal=5, produce=5, size=5
Thread-1, ConsumerVal=5, consumer=5, size=0
Thread-2, ProduceVal=2, produce=2, size=2
Thread-3, ConsumerVal=5, consumer=2, size=0
Thread-4, ProduceVal=3, produce=3, size=3
Thread-3, ConsumerVal=5, consumer=3, size=0
输出结果中，Thread-3出现两次，就是因为要消费5个产品，但仓库中只有2个产品，所以先将库存的2个产品全部消费，然后这个线程进入等待队列，等待生产，随后生产出了3个产品，生产者生产后又执行signalAll方法将等待队列中所有的线程都唤醒，Thread-3继续消费还需要的3个产品。
三个线程依次打印ABC
class Business {
private Lock lock = new ReentrantLock();
private Condition conditionA = lock.newCondition();
private Condition conditionB = lock.newCondition();
private Condition conditionC = lock.newCondition();
private String type = "A"; //内部状态
/*
* 方法的基本要求为：
* 1、该方法必须为原子的。
* 2、当前状态必须满足条件。若不满足，则等待；满足，则执行业务代码。
* 3、业务执行完毕后，修改状态，并唤醒指定条件下的线程。
*/
public void printA() {
lock.lock(); //锁，保证了线程安全。
try {
while (type != "A") { //type不为A，
try {
conditionA.await(); //将当前线程阻塞于conditionA对象上，将被阻塞。
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
//type为A，则执行。
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 正在打印A");
type = "B"; //将type设置为B。
conditionB.signal(); //唤醒在等待conditionB对象上的一个线程。将信号传递出去。
} finally {
lock.unlock(); //解锁
}
}
public void printB() {
lock.lock(); //锁
try {
while (type != "B") { //type不为B，
try {
conditionB.await(); //将当前线程阻塞于conditionB对象上，将被阻塞。
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
//type为B，则执行。
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 正在打印B");
type = "C"; //将type设置为C。
conditionC.signal(); //唤醒在等待conditionC对象上的一个线程。将信号传递出去。
} finally {
lock.unlock(); //解锁
}
}
public void printC() {
lock.lock(); //锁
try {
while (type != "C") {
try {
conditionC.await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 正在打印C");
type = "A";
conditionA.signal();
} finally {
lock.unlock(); //解锁
}
}
}
public class ConditionTest{
public static void main(String[] args) {
final Business business = new Business();//业务对象。
//线程1号，打印10次A。
Thread ta = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for(int i=0;i<10;i++){
business.printA();
}
}
});
//线程2号，打印10次B。
Thread tb = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for(int i=0;i<10;i++){
business.printB();
}
}
});
//线程3号，打印10次C。
Thread tc = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for(int i=0;i<10;i++){
business.printC();
}
}
});
//执行3条线程。
ta.start();
tb.start();
tc.start();
}
}
Thread-0 正在打印A
Thread-1 正在打印B
Thread-2 正在打印C
Thread-0 正在打印A
Thread-1 正在打印B
Thread-2 正在打印C
Thread-0 正在打印A
Thread-1 正在打印B
Thread-2 正在打印C
Thread-0 正在打印A
Thread-1 正在打印B
Thread-2 正在打印C
Thread-0 正在打印A
Thread-1 正在打印B
Thread-2 正在打印C
Thread-0 正在打印A
Thread-1 正在打印B
Thread-2 正在打印C
Thread-0 正在打印A
Thread-1 正在打印B
Thread-2 正在打印C
Thread-0 正在打印A
Thread-1 正在打印B
Thread-2 正在打印C
Thread-0 正在打印A
Thread-1 正在打印B
Thread-2 正在打印C
Thread-0 正在打印A
Thread-1 正在打印B
Thread-2 正在打印C
虚假唤醒
所谓"虚假唤醒"，即其他地方的代码触发了condition.signal() ，唤醒condition上等待的线程。但被唤醒的线程仍然不满足执行条件。
condition通常与条件语句一起使用：
if(!条件){
condition.await(); //不满足条件，当前线程等待；
}
更好的方法是使用while：
while(!条件){
condition.await(); //不满足条件，当前线程等待；
}
在等待Condition时，允许发生"虚假唤醒"，这通常作为对基础平台语义的让步。若使用"if(!条件)"则被"虚假唤醒"的线程可能继续执行。所以"while(!条件)"可以防止"虚假唤醒"。建议总是假定这些"虚假唤醒"可能发生，因此总是在一个循环中等待。
4、总结
如果知道Object的等待通知机制，Condition的使用是比较容易掌握的，因为和Object等待通知的使用基本一致。
对Condition的源码理解，主要就是理解等待队列，等待队列可以类比同步队列，而且等待队列比同步队列要简单，因为等待队列是单向队列，同步队列是双向队列。
以下是笔者对等待队列是单向队列、同步队列是双向队列的一些思考，欢迎提出不同意见：
之所以同步队列要设计成双向的，是因为在同步队列中，节点唤醒是接力式的，由每一个节点唤醒它的下一个节点，如果是由next指针获取下一个节点，是有可能获取失败的，因为虚拟队列每添加一个节点，是先用CAS把tail设置为新节点，然后才修改原tail的next指针到新节点的。因此用next向后遍历是不安全的，但是如果在设置新节点为tail前，为新节点设置prev，则可以保证从tail往前遍历是安全的。因此要安全的获取一个节点Node的下一个节点，先要看next是不是null，如果是null，还要从tail往前遍历看看能不能遍历到Node。
而等待队列就简单多了，等待的线程就是等待者，只负责等待，唤醒的线程就是唤醒者，只负责唤醒，因此每次要执行唤醒操作的时候，直接唤醒等待队列的首节点就行了。等待队列的实现中不需要遍历队列，因此也不需要prev指针。
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