透徹理解Java併發的等待佇列——Condition

weixin_34377065發表於2018-12-11
Java佇列

Condition介面——等待佇列

前言

任意一個Java物件，都擁有一組監視器方法（定義在java.lang.Object上），主要包括wait()、 wait(long timeout)、notify()以及notifyAll()方法，這些方法與synchronized同步關鍵字配合，可以實現等待/通知模式。Condition介面也提供了類似Object的監視器方法，與Lock配合可以實現等待/通知模式，但是這兩者在使用方式以及功能特性上還是有差別的。

Condition的作用

Condition介面作為Lock介面的wait()、notify()方法，實現等待/通知模式。

Object的監視器方法和Condition介面的對比

對比項 Object監視器方法 Codition
前置條件 獲取物件的鎖（隱式獲取） 呼叫Lock()獲取鎖，然後呼叫Lock.newCondition()獲取Condition物件
呼叫方式 直接呼叫，如：object.wait() 直接呼叫，如：condition.await()
等待佇列個數 一個 多個（這裡思考一下為什麼會有多個等待佇列？）
當前執行緒釋放鎖進入等待狀態 支援 支援
當前執行緒釋放鎖進入等待狀態，在等待狀態中不響應中斷 不支援 支援
當前執行緒釋放鎖並進入超時等待狀態 支援 支援
當前執行緒釋放鎖並進入等待狀態到將來的某個時間 不支援 支援
喚醒等待佇列中的某個執行緒 支援 支援
喚醒等待佇列中的全部執行緒 支援 支援

看不懂沒關係，把下面的內容看完再回頭過來看，就會懂了。:)

Condition是在AQS中配合使用的wait/nofity執行緒通訊協調工具類，我們可以稱之為等待佇列 Condition定義了等待/通知兩種型別的方法，當前執行緒呼叫這些方法時，需要提前獲取到Condition物件關聯的鎖。Condition物件是呼叫Lock物件的newCondition()方法建立出來的，換句話說，Condition是依賴Lock物件。

Condition示例

下面看看Condition介面是如何和Lock介面使用

Lock lock = new ReentrantLock();
Condition condition = lock.newCondition();
public void conditionWait() throws InterruptedException {
    lock.lock();
    try {
        condition.await();
    } finally {
        lock.unlock;
    }
}
public void conditionSignal() throws InterruptedException {
    lock.lock();
    try {
        condition.signal();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}
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如示例所示，一般都會將Condition物件作為成員變數。當呼叫await()方法後，當前執行緒會 釋放鎖並在此等待，而其他執行緒呼叫Condition物件的signal()方法，通知當前執行緒後，當前執行緒 才從await()方法返回，並且在返回前已經獲取了鎖。

下面看看Condition部分方法的詳細解析

下面以一個有界佇列來深入瞭解Condition的使用方式

public class BoundedQueue<T> {
    //儲存佇列元素的物件陣列
    private Object[] items;
    //新增的下標，刪除的下標和陣列當前數量
    private int addIndex, removeIndex, count;
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    //定義一個非空等待佇列
    private Condition notEmpty = lock.newCondition();
    //定義一個非滿等待佇列
    private Condition notFull = lock.newCondition();
    public BoundedQueue(int size) {
        items = new Object[size];
    }
    public void add(T t) throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            //如果當前佇列已滿，則進入非滿等待佇列
            while(count == items.length) {
                //呼叫await()方法，進入等待佇列，只有在remove方法將元素移出有界佇列，然後進行notFull.signal()方法才能繼續進行新增操作。
                notFull.await();                
            }
            items[addIndex] = t;
            if(++addIndex == items.length) {
                addIndex = 0;
            }
            ++count;
            notEmpty.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}
public T remove() throws InterruptedException {
    lock.lock();
    try {
        //如果當前佇列為空，則進入notEmpty等待佇列
        while(count == 0) {
            //只有呼叫add方法向有界佇列中新增元素，然後呼叫notEmpty.signal()方法後，才能從該方法返回。
            notEmpty.await();
        }
        Object x = items[removeIndex];
        if(++removeIndex == items.length) {
            removeIndex = 0;
        }
        --count;
        notFull.signal();
        return (T)x;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}
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這個有界佇列是一種特殊的佇列，當佇列為空時，佇列的獲取操作 將會阻塞獲取執行緒，直到佇列中有新增元素，當佇列已滿時，佇列的插入操作將會阻塞插入執行緒，直到佇列出現“空位”。

首先需要獲得鎖，目的是確保陣列修改的可見性和排他性。當陣列數量等於陣列長度時， 表示陣列已滿，則呼叫notFull.await()，當前執行緒隨之釋放鎖並進入等待狀態。如果陣列數量不等於陣列長度，表示陣列未滿，則新增元素到陣列中，同時通知等待在notEmpty上的執行緒，陣列中已經有新元素可以獲取。 在新增和刪除方法中使用while迴圈而非if判斷，目的是防止過早或意外的通知，只有條件 符合才能夠退出迴圈。回想之前提到的等待/通知的經典正規化，二者是非常類似的。

總結：在Object的監視器模型上，一個物件擁有一個同步佇列和等待佇列，而併發包中的 Lock（更確切地說是同步器）擁有一個同步佇列和多個等待佇列。

問題：為什麼每個併發包中的同步器會有多個等待佇列呢？？

不同於synchronized同步佇列和等待佇列只有一個，AQS的等待佇列是有多個，因為AQS可以實現排他鎖（ReentrantLock）和非排他鎖（ReentrantReadWriteLock——讀寫鎖），讀寫鎖就是一個需要多個等待佇列的鎖。等待佇列（Condition）用來儲存被阻塞的執行緒的。因為讀寫鎖是一對鎖，所以需要兩個等待佇列來分別儲存被阻塞的讀鎖和被阻塞的寫鎖。

深入condition

condition是一個介面，那它的實現類呢？它的實現類——ConditionObject定義在同步器AQS內部，因為condition的操作需要獲取相關聯的鎖，所以將其定義為同步器內部類也較為合理。

每個condition物件都包含著一個佇列——等待佇列，用來儲存著被阻塞的執行緒。隱式鎖synchronized配合著object物件的監視器方法wait()和notify()能夠實現等待/通知功能，當然顯式鎖（同步元件）配合著condition物件也可以實現等待/通知功能。

public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 1173984872572414699L;
    //等待佇列的頭結點，transient的作用是不讓節點被序列化
    private transient Node firstWaiter;
    //等待佇列的尾結點，transient的作用是不讓節點被序列化
    private transient Node lastWaiter;
    ...    
}
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可以看到Node就是等待佇列中的節點。那麼這個Node節點是定義在哪裡的呢？這個Node節點是定義在同步器AQS中的。也就是說，同步佇列和等待佇列中的節點型別都是定義在同步器的靜態內部類AbstractQueuedSynchronized.Node。

對的你沒看錯，等待佇列和同步佇列都是定義在同步器中的，換句話說就是等待佇列定義在同步佇列中的。

等待——condition.await()

呼叫condition.await()方法會發生什麼是呢？當前執行緒會被構造成一個節點，然後從尾部加入到等待隊裡中並釋放當前執行緒持有的鎖，當前先被阻塞，然後喚醒同步佇列中的後繼節點，同時當前執行緒的狀態變為等待狀態（釋放同步狀態），然後就在等待佇列中一直等待著...等待著... 下一步會發生什麼？答案就在下面。

上面的過程可以這樣看待，就是將同步器中同步佇列的首節點（獲取了鎖的節點）的執行緒移動到了等待佇列的尾部。

下面來看看condition.await()方法的原始碼

public final void await() throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    //將當前執行緒構造成節點然後新增到condition等待佇列的尾部    
    Node node = addConditionWaiter();
    //釋放鎖（釋放同步狀態）
    int savedState = fullyRelease(node);
    int interruptMode = 0;
    //如果當前執行緒在同步佇列中，isOnSyncQueue(node)返回true
    while (!isOnSyncQueue(node)) {
        //阻塞當前執行緒
        LockSupport.park(this);
        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
            break;
    }
    //呼叫同步器的acquireQueued()方法加入到獲取同步狀態的競爭中
    if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
        interruptMode = REINTERRUPT;
    if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
        unlinkCancelledWaiters();
    if (interruptMode != 0)
        reportInterruptAfterWait(interruptMode)
}
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LockSupport.park(this);
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LockSupport.park()方法很關鍵，讓當前佇列真正的阻塞起來。看LockSupport.park的原始碼可知是呼叫了native park()方法。

public native void park(boolean var1, long var2);
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下面用圖來展示一下上面說的稍微有點複雜但又很清晰的過程

問1：當前執行緒釋放的鎖被誰持有了？

答1：呼叫await()方法的執行緒獲得了鎖，然後該執行緒就會稱為同步佇列的首節點。

特別注意：上述節點引用更新的過程（釋放同步狀態）並沒有使用CAS保證，原因在於呼叫await()方法的執行緒必定是獲取了鎖的執行緒，也就是說該過程是由鎖來保證執行緒安全的。

通知——condition.signal()

通知的結果，就相當於將等待佇列中等待時間最久的執行緒（首節點）移動到同步佇列中的隊尾。

想了解更詳細的原理就接著往下看吧

先看看原始碼

//通知
public final void signal() {
    //isHeldExclusively()判斷當前是否是持有鎖的執行緒
    if (!isHeldExclusively())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    //獲取等待佇列中的首節點
    Node first = firstWaiter;
    if (first != null)
        doSignal(first);
}

private void doSignal(Node first) {
    do {
        if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
            lastWaiter = null;
        //將首節點斷開,然後呼叫transferForSignal(first)將首節點移動到同步佇列中    
        first.nextWaiter = null;
    } while (!transferForSignal(first) &&
             (first = firstWaiter) != null);
}

final boolean transferForSignal(Node node) {
    if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
        return false;
    //新增到同步佇列中
    Node p = enq(node);
    int ws = p.waitStatus;
    if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
        //呼叫unpark喚醒當前執行緒，然後就可以到同步佇列中去競爭鎖了
        LockSupport.unpark(node.thread);
    return true;
}
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結合上面的等待過程，此時的通知過程：當前持有鎖的執行緒呼叫signal()，先獲取等待佇列中的首節點並斷開首節點，然後新增到同步佇列的隊尾，最後呼叫LockSupport.unpark()方法來喚醒等待執行緒，將從await()方法中的while迴圈中退出（isOnSyncQueue(Node node)方法返回true，節點已經在同步佇列中），進而呼叫同步器的acquireQueued()方法加入到獲取同步狀態的競爭中。如果被喚醒的執行緒有幸競爭成功獲得了鎖（獲取同步狀態），被喚醒的執行緒將從先前呼叫的await()方法返回，此時該執行緒已經成功地獲取了鎖。

另外signalAll()方法，相當於對等待佇列中的每個節點均執行一次signal()方法，效 果就是將等待佇列中所有節點全部移動到同步佇列中，並喚醒每個節點的執行緒。

來一張圖整理一下整個通知過程，思路會更加清晰

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