Java并发编程原理与实战二十三:Condition原理分析

时间:2021-08-08 22:42:36

先来回顾一下java中的等待/通知机制

我们有时会遇到这样的场景:线程A执行到某个点的时候,因为某个条件condition不满足,需要线程A暂停;等到线程B修改了条件condition,使condition满足了线程A的要求时,A再继续执行。

自旋实现的等待通知

最简单的实现方法就是将condition设为一个volatile的变量,当A线程检测到条件不满足时就自旋,类似下面:

Java并发编程原理与实战二十三:Condition原理分析
public class Test {
    private static volatile int condition = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread A = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                while (!(condition == 1)) {
                    // 条件不满足,自旋
                }
                System.out.println("a executed");
            }
        });

        A.start();
        Thread.sleep(2000);
        condition = 1;
    }

}
Java并发编程原理与实战二十三:Condition原理分析

这种方式的问题在于自旋非常耗费CPU资源,当然如果在自旋的代码块里加入Thread.sleep(time)将会减轻CPU资源的消耗,但是如果time设的太大,A线程就不能及时响应condition的变化,如果设的太小,依然会造成CPU的消耗。

Object提供的等待通知

因此,java在Object类里提供了wait()和notify()方法,使用方法如下:

Java并发编程原理与实战二十三:Condition原理分析
class Test1 {
    private static volatile int condition = 0;
    private static final Object lock = new Object();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread A = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                synchronized (lock) {
                    while (!(condition == 1)) {
                        try {
                            lock.wait();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            Thread.currentThread().interrupt();
                        }
                    }
                    System.out.println("a executed by notify");
                }
            }
        });
        A.start();
        Thread.sleep(2000);
        condition = 1;
        synchronized (lock) {
            lock.notify();
        }
    }
}
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通过代码可以看出,在使用一个对象的wait()、notify()方法前必须要获取这个对象的锁。

当线程A调用了lock对象的wait()方法后,线程A将释放持有的lock对象的锁,然后将自己挂起,直到有其他线程调用notify()/notifyAll()方法或被中断。可以看到在lock.wait()前面检测condition条件的时候使用了一个while循环而不是if,那是因为当有其他线程把condition修改为满足A线程的要求并调用notify()后,A线程会重新等待获取锁,获取到锁后才从lock.wait()方法返回,而在A线程等待锁的过程中,condition是有可能再次变化的。

因为wait()、notify()是和synchronized配合使用的,因此如果使用了显示锁Lock,就不能用了。所以显示锁要提供自己的等待/通知机制,Condition应运而生。

显示锁提供的等待通知

我们用Condition实现上面的例子:

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class Test2 {
    private static volatile int condition = 0;
    private static Lock lock = new ReentrantLock();
    private static Condition lockCondition = lock.newCondition();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread A = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                lock.lock();
                try {
                    while (!(condition == 1)) {
                        lockCondition.await();
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    Thread.currentThread().interrupt();
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
                System.out.println("a executed by condition");
            }
        });
        A.start();
        Thread.sleep(2000);
        condition = 1;
        lock.lock();
        try {
            lockCondition.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}
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可以看到通过 lock.newCondition() 可以获得到 lock 对应的一个Condition对象lockCondition ,lockCondition的await()、signal()方法分别对应之前的Object的wait()和notify()方法。整体上和Object的等待通知是类似的。

应用举例

上面我们看到了Condition实现的等待通知和Object的等待通知是非常类似的,而Condition提供的等待通知功能更强大,最重要的一点是,一个lock对象可以通过多次调用 lock.newCondition() 获取多个Condition对象,也就是说,在一个lock对象上,可以有多个等待队列,而Object的等待通知在一个Object上,只能有一个等待队列。用下面的例子说明,下面的代码实现了一个阻塞队列,当队列已满时,add操作被阻塞有其他线程通过remove方法删除元素;当队列已空时,remove操作被阻塞直到有其他线程通过add方法添加元素。

Java并发编程原理与实战二十三:Condition原理分析
public class BoundedQueue1<T> {
    public List<T> q; //这个列表用来存队列的元素
    private int maxSize; //队列的最大长度
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    private Condition addConditoin = lock.newCondition();
    private Condition removeConditoin = lock.newCondition();

    public BoundedQueue1(int size) {
        q = new ArrayList<>(size);
        maxSize = size;
    }

    public void add(T e) {
        lock.lock();
        try {
            while (q.size() == maxSize) {
                addConditoin.await();
            }
            q.add(e);
            removeConditoin.signal(); //执行了添加操作后唤醒因队列空被阻塞的删除操作
        } catch (InterruptedException e1) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public T remove() {
        lock.lock();
        try {
            while (q.size() == 0) {
                removeConditoin.await();
            }
            T e = q.remove(0);
            addConditoin.signal(); //执行删除操作后唤醒因队列满而被阻塞的添加操作
            return e;
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
            return null;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

}
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源码分析

下面来分析Condition源码

概述

之前我们介绍AQS的时候说过,AQS的同步排队用了一个隐式的双向队列,同步队列的每个节点是一个AbstractQueuedSynchronizer.Node实例。

Node的主要字段有:

  1. waitStatus:等待状态,所有的状态见下面的表格。
  2. prev:前驱节点
  3. next:后继节点
  4. thread:当前节点代表的线程
  5. nextWaiter:Node既可以作为同步队列节点使用,也可以作为Condition的等待队列节点使用(将会在后面讲Condition时讲到)。在作为同步队列节点时,nextWaiter可能有两个值:EXCLUSIVE、SHARED标识当前节点是独占模式还是共享模式;在作为等待队列节点使用时,nextWaiter保存后继节点。
状态 含义
CANCELLED 1 当前节点因为超时或中断被取消同步状态获取,该节点进入该状态不会再变化
SIGNAL -1 标识后继的节点处于阻塞状态,当前节点在释放同步状态或被取消时,需要通知后继节点继续运行。每个节点在阻塞前,需要标记其前驱节点的状态为SIGNAL。
CONDITION -2 标识当前节点是作为等待队列节点使用的。
PROPAGATE -3  
0 0 初始状态

Condition实现等待的时候内部也有一个等待队列,等待队列是一个隐式的单向队列,等待队列中的每一个节点也是一个AbstractQueuedSynchronizer.Node实例。

每个Condition对象中保存了firstWaiter和lastWaiter作为队列首节点和尾节点,每个节点使用Node.nextWaiter保存下一个节点的引用,因此等待队列是一个单向队列。

每当一个线程调用Condition.await()方法,那么该线程会释放锁,构造成一个Node节点加入到等待队列的队尾。

等待

Condition.await()方法的源码如下:

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        public final void await() throws InterruptedException {
            if (Thread.interrupted())
                throw new InterruptedException();
            Node node = addConditionWaiter(); //构造一个新的等待队列Node加入到队尾
            int savedState = fullyRelease(node); //释放当前线程的独占锁,不管重入几次,都把state释放为0
            int interruptMode = 0;
//如果当前节点没有在同步队列上,即还没有被signal,则将当前线程阻塞 while (!isOnSyncQueue(node)) { LockSupport.park(this);
//后面的蓝色代码都是和中断相关的,主要是区分两种中断:是在被signal前中断还是在被signal后中断,如果是被signal前就被中断则抛出 InterruptedException,否则执行 Thread.currentThread().interrupt(); if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) //被中断则直接退出自旋 break; }
//退出了上面自旋说明当前节点已经在同步队列上,但是当前节点不一定在同步队列队首。acquireQueued将阻塞直到当前节点成为队首,即当前线程获得了锁。然后await()方法就可以退出了,让线程继续执行await()后的代码。 if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE) interruptMode = REINTERRUPT; if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled unlinkCancelledWaiters(); if (interruptMode != 0) reportInterruptAfterWait(interruptMode); }


final int fullyRelease(Node node) { boolean failed = true; try { int savedState = getState(); if (release(savedState)) { failed = false; return savedState; } else { throw new IllegalMonitorStateException(); } } finally { if (failed) node.waitStatus = Node.CANCELLED; } } final boolean isOnSyncQueue(Node node) {
//如果当前节点状态是CONDITION或node.prev是null,则证明当前节点在等待队列上而不是同步队列上。之所以可以用node.prev来判断,是因为一个节点如果要加入同步队列,在加入前就会设置好prev字段。 if (node.waitStatus == Node.CONDITION || node.prev == null) return false;
//如果node.next不为null,则一定在同步队列上,因为node.next是在节点加入同步队列后设置的 if (node.next != null) // If has successor, it must be on queue return true; return findNodeFromTail(node); //前面的两个判断没有返回的话,就从同步队列队尾遍历一个一个看是不是当前节点。 } private boolean findNodeFromTail(Node node) { Node t = tail; for (;;) { if (t == node) return true; if (t == null) return false; t = t.prev; } } 
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Java并发编程原理与实战二十三:Condition原理分析
    final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return interrupted;
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }
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通知

Condition.signal() 方法的源码如下:

Java并发编程原理与实战二十三:Condition原理分析
        public final void signal() {
            if (!isHeldExclusively())
                throw new IllegalMonitorStateException(); //如果同步状态不是被当前线程独占,直接抛出异常。从这里也能看出来,Condition只能配合独占类同步组件使用。
            Node first = firstWaiter;
            if (first != null)
                doSignal(first); //通知等待队列队首的节点。
        }
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        private void doSignal(Node first) {
            do {
                if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
                    lastWaiter = null;
                first.nextWaiter = null;
            } while (!transferForSignal(first) &&   //transferForSignal方法尝试唤醒当前节点,如果唤醒失败,则继续尝试唤醒当前节点的后继节点。
                     (first = firstWaiter) != null);
        }

    final boolean transferForSignal(Node node) {
        //如果当前节点状态为CONDITION,则将状态改为0准备加入同步队列;如果当前状态不为CONDITION,说明该节点等待已被中断,则该方法返回false,doSignal()方法会继续尝试唤醒当前节点的后继节点
        if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
            return false;

        /*
         * Splice onto queue and try to set waitStatus of predecessor to
         * indicate that thread is (probably) waiting. If cancelled or
         * attempt to set waitStatus fails, wake up to resync (in which
         * case the waitStatus can be transiently and harmlessly wrong).
         */
        Node p = enq(node);  //将节点加入同步队列,返回的p是节点在同步队列中的先驱节点
        int ws = p.waitStatus;
//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,线程被唤醒后会执行acquireQueued方法,该方法会重新尝试将节点的先驱状态设为SIGNAL并再次park线程;如果当前设置前驱节点状态为SIGNAL成功,那么就不需要马上唤醒线程了,当它的前驱节点成为同步队列的首节点且释放同步状态后,会自动唤醒它。
//其实笔者认为这里不加这个判断条件应该也是可以的。只是对于CAS修改前驱节点状态为SIGNAL成功这种情况来说,如果不加这个判断条件,提前唤醒了线程,等进入acquireQueued方法了节点发现自己的前驱不是首节点,还要再阻塞,等到其前驱节点成为首节点并释放锁时再唤醒一次;而如果加了这个条件,线程被唤醒的时候它的前驱节点肯定是首节点了,线程就有机会直接获取同步状态从而避免二次阻塞,节省了硬件资源。 if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL)) LockSupport.unpark(node.thread); return true; }
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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:

  1. 构造一个新的等待队列节点加入到等待队列队尾
  2. 释放锁,也就是将它的同步队列节点从同步队列队首移除
  3. 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
  4. 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:

  1. 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.
  2. 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.

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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