Java Condition类使用及分析

2021-08-01 05:39:40

一、Condition介绍

Condition是在java 1.5中才出现的，它用来替代传统的Object的wait()、notify()实现线程间的协作，相比使用Object的wait()、notify()，使用Condition的await()、signal()这种方式实现线程间协作更加安全和高效。因此通常来说比较推荐使用Condition，阻塞队列实际上是使用了Condition来模拟线程间协作。

Condition是个接口，基本的方法就是await()和signal()方法；
Condition依赖于Lock接口，生成一个Condition的基本代码是lock.newCondition()
调用Condition的await()和signal()方法，都必须在lock保护之内，就是说必须在lock.lock()和lock.unlock之间才可以使用
　　Conditon中的await()对应Object的wait()；

　　Condition中的signal()对应Object的notify()；

Condition中的signalAll()对应Object的notifyAll()。下图摘自《Java并发编程的艺术》

condition常见例子arrayblockingqueue。下面是demo：

package cn.java.threadmodel;

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
 * @author 小石潭记
 * @date 2021/12/19 9:32
 * @Description: ${todo}
 */
public class ConTest {

    final Lock lock = new ReentrantLock();
    final Condition condition = lock.newCondition();

    public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub
        ConTest test = new ConTest();
        Producer producer = test.new Producer();
        Consumer consumer = test.new Consumer();

        producer.start();
        consumer.start();
    }

    class Consumer extends Thread {

        @Override
        public void run() {
            consume();
        }

        private void consume() {

            try {
                lock.lock();
                System.out.println("我在等一个新信号" + this.currentThread().getName());
                condition.await();

            } catch (InterruptedException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            } finally {
                System.out.println("拿到一个信号" + this.currentThread().getName());
                lock.unlock();
            }

        }
    }

    class Producer extends Thread {

        @Override
        public void run() {
            produce();
        }

        private void produce() {
            try {
                lock.lock();
                System.out.println("我拿到锁" + this.currentThread().getName());
                condition.signalAll();
                System.out.println("我发出了一个信号：" + this.currentThread().getName());
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }

}

运行结果：

Condition的执行方式，是当在线程Consumer中调用await方法后，线程Consumer将释放锁，并且将自己沉睡，等待唤醒，线程Producer获取到锁后，开始做事，完毕后，调用Condition的signalall方法，唤醒线程Consumer，线程Consumer恢复执行。
以上说明Condition是一个多线程间协调通信的工具类，使得某个，或者某些线程一起等待某个条件（Condition）,只有当该条件具备( signal 或者 signalAll方法被带调用)时，这些等待线程才会被唤醒，从而重新争夺锁。

Condition实现生产者、消费者模式：

package cn.java.threadmodel;

import java.util.PriorityQueue;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
 * @author 小石潭记
 * @date 2021/12/19 9:37
 * @Description: ${todo}
 */
public class ConTest2 {
    private int queueSize = 5;
    private PriorityQueue<Integer> queue = new PriorityQueue<>(queueSize);
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    private Condition notFull = lock.newCondition();
    private Condition notEmpty = lock.newCondition();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ConTest2 test = new ConTest2();
        Producer producer = test.new Producer();
        Consumer consumer = test.new Consumer();
        producer.start();
        consumer.start();
        Thread.sleep(0);
        producer.interrupt();
        consumer.interrupt();
    }

    class Consumer extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            consume();
        }

        volatile boolean flag = true;

        private void consume() {
            while (flag) {
                lock.lock();
                try {
                    while (queue.isEmpty()) {
                        try {
                            System.out.println("队列空，等待数据");
                            notEmpty.await();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            flag = false;
                        }
                    }
                    queue.poll();                //每次移走队首元素
                    notFull.signal();
                    System.out.println("从队列取走一个元素，队列剩余" + queue.size() + "个元素");
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }
        }
    }

    class Producer extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            produce();
        }

        volatile boolean flag = true;

        private void produce() {
            while (flag) {
                lock.lock();
                try {
                    while (queue.size() == queueSize) {
                        try {
                            System.out.println("队列满，等待有空余空间");
                            notFull.await();
                        } catch (InterruptedException e) {

                            flag = false;
                        }
                    }
                    queue.offer(1);        //每次插入一个元素
                    notEmpty.signal();
                    System.out.println("向队列取中插入一个元素，队列剩余空间：" + (queueSize - queue.size()));
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }
        }
    }
}

二、Condition接口

condition可以通俗的理解为条件队列。当一个线程在调用了await方法以后，直到线程等待的某个条件为真的时候才会被唤醒。这种方式为线程提供了更加简单的等待/通知模式。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。

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。

三、Condition实现分析

        Condition接口包含了多种await方式和两个通知方法
        ConditionObject实现了Condition接口，是AbstractQueuedSynchronizer的内部类（因为Condition的操作都需要获取想关联的锁）
        Reentrantlock的newCondition方法返回与某个lock实例相关的Condition对象

public abstract class AbstractQueuedLongSynchronizer
    extends AbstractOwnableSynchronizer
    implements java.io.Serializable {

结合上面的类图，我们看到condition实现是依赖于aqs，而aqs是个抽象类。里面定义了同步器的基本框架，实现了基本的结构功能。只留有状态条件的维护由具体同步器根据具体场景来定制，如常见的 ReentrantLock 、 RetrantReadWriteLock和CountDownLatch 等等，
3.1 等待队列

Condition是AQS的内部类。每个Condition对象都包含一个队列(等待队列)。等待队列是一个FIFO的队列，在队列中的每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Condition.await()方法，那么该线程将会释放锁、构造成节点加入等待队列并进入等待状态。AQS有一个同步队列和多个等待队列，节点都是Node。等待队列的基本结构如下所示。

等待分为首节点和尾节点。当一个线程调用Condition.await()方法，将会以当前线程构造节点，并将节点从尾部加入等待队列。新增节点就是将尾部节点指向新增的节点。节点引用更新本来就是在获取锁以后的操作，所以不需要CAS保证。同时也是线程安全的操作。

    public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
        private static final long serialVersionUID = 1173984872572414699L;
        /** First node of condition queue. */
        private transient Node firstWaiter;
        /** Last node of condition queue. */
        private transient Node lastWaiter;

3.2、等待

当线程调用了Condition的await（）方法以后。线程就作为队列中的一个节点被加入到等待队列中去了。同时会释放锁的拥有。当从await方法返回的时候。当前线程一定会获取condition相关联的锁。

如果从队列（同步队列和等待队列）的角度去看await（）方法，当调用await（）方法时，相当于同步队列的首节点（获取锁的节点）移动到Condition的等待队列中。

调用该方法的线程成功的获取锁的线程，也就是同步队列的首节点，该方法会将当前线程构造成节点并加入到等待队列中，然后释放同步状态，唤醒同步队列中的后继节点，然后当前线程会进入等待状态。

当等待队列中的节点被唤醒的时候，则唤醒节点的线程开始尝试获取同步状态。如果不是通过其他线程调用Condition.signal()方法唤醒，而是对等待线程进行中断，则会抛出InterruptedException异常信息。

我们看一下这个await的方法，它是AQS的方法，

public final void await() throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        Node node = addConditionWaiter(); //将当前线程包装下后，
        //添加到Condition自己维护的一个链表中。
        int savedState = fullyRelease(node);//释放当前线程占有的锁，从demo中看到，
        //调用await前，当前线程是占有锁的

        int interruptMode = 0;
        while (!isOnSyncQueue(node)) {//释放完毕后，遍历AQS的队列，看当前节点是否在队列中，
            //不在 说明它还没有竞争锁的资格，所以继续将自己沉睡。
            //直到它被加入到队列中，聪明的你可能猜到了，
            //没有错，在singal的时候加入不就可以了？
            LockSupport.park(this);
            if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
                break;
        }
        //被唤醒后，重新开始正式竞争锁，同样，如果竞争不到还是会将自己沉睡，等待唤醒重新开始竞争。
        if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
            interruptMode = REINTERRUPT;
        if (node.nextWaiter != null)
            unlinkCancelledWaiters();
        if (interruptMode != 0)
            reportInterruptAfterWait(interruptMode);
    }

结合代码去看，同步队列的首节点并不会直接加入等待队列，而是通过addConditionWaiter把当前线程构造成一个新节点并加入到等待队列中。

/**
         * Adds a new waiter to wait queue.
         * @return its new wait node
         */
        private Node addConditionWaiter() {
            Node t = lastWaiter;
            // If lastWaiter is cancelled, clean out.
            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;
        }

3.3、通知

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，会将节点移到同步队列中。当前线程加入到等待队列中如图所示：

回到上面的demo，锁被释放后，线程Consumer开始沉睡，这个时候线程因为线程Consumer沉睡时，会唤醒AQS队列中的头结点，所所以线程Producer会开始竞争锁，并获取到，执行完后线程Producer会调用signal方法，“发出”signal信号，signal方法如下：

public final void signal() {
        if (!isHeldExclusively())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        Node first = firstWaiter; //firstWaiter为condition自己维护的一个链表的头结点，
        //取出第一个节点后开始唤醒操作
        if (first != null)
            doSignal(first);
    }

在调用signal()方法之前必须先判断是否获取到了锁（isHeldExclusively方法）。接着获取等待队列的首节点，将其移动到同步队列并且利用LockSupport唤醒节点中的线程。
被唤醒的线程将从await方法中的while循环中退出（ while (!isOnSyncQueue(node)) { 方法返回true，节点已经在同步队列中）。随后调用同步器的acquireQueued（）方法加入到同步状态的竞争当中去。成功获取到竞争的线程从先前调用await方法返回，此时该线程已经成功获取了锁。

*******************************
AQS的同步队列与Condition的等待队列，两个队列的作用是不同，事实上，每个线程也仅仅会同时存在以上两个队列中的一个，流程是这样的：

注意：

1.线程producer调用signal方法，这个时候Condition的等待队列中只有线程Consumer一个节点，于是它被取出来，并被加入到AQS的等待队列中。注意，这个时候，线程Consumer 并没有被唤醒。

2.Sync是AQS的抽象子类，实现可重入和互斥的大部分功能。在Sync的子类中有FairSync和NonfairSync两种代表公平锁策略和非公平锁策略。Sync lock方法留给子类去实现，NonfairSync的实现：

 final void lock() {
            if (compareAndSetState(0, 1))
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            else
                acquire(1);
        }

其中如果一开始获取锁成功，是直接设置当前线程。
否则执行acquire(1),也就是进入aqs等待队列。这里不展开细节。

可以这样理解，整个协作过程是靠结点在AQS的等待队列和Condition的等待队列中来回移动实现的，每个队列的意义不同，Condition作为一个条件类，很好的自己维护了一个等待信号的队列，并在适时的时候将结点加入到AQS的等待队列中来实现的唤醒操作
————————————————
参考：

java condition使用及分析_bohu83的博客-CSDN博客_condition的使用

码农公寓

一、Condition介绍

Condition实现生产者、消费者模式：

二、Condition接口

三 、Condition实现分析

相关文章

三、Condition实现分析