并发：Condition接口。

妖狐艹你老母 2024-02-19 14:12 50阅读 0赞

任意一个Java对象，都拥有一组监视器方法（定义在java.lang.Object上），主要包括wait()、wait(long timeout)、notify()以及notifyAll()方法，这些方法与synchronized同步关键字配合，可以实现等待/通知模式。Condition接口也提供了类似Object的监视器方法，与Lock配合可以实现等待/通知模式，但是这两者在使用方式以及功能特性上还是有差别的。

通过对比Object的监视器方法和Condition接口，可以更详细了解Condition的特性，对比项与结果如下表所示。

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>对比项</td> 
   <td>Object Monitor Methods</td> 
   <td>Condition</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>前置条件</td> 
   <td>获取对象的锁</td> 
   <td> <p>调用Lock.lock()获取锁</p> <p>调用Lock.newCondition()获取Condition对象</p> </td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>调用方式</td> 
   <td> <p>直接调用</p> <p>如：object.wait()</p> </td> 
   <td> <p>直接调用</p> <p>如：condition.await()</p> </td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>等待队列个数</td> 
   <td>一个</td> 
   <td>多个</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>当前线程释放锁并进入等待状态</td> 
   <td>支持</td> 
   <td>支持</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>当前线程释放锁并进入等待状态，在等待状态中不响应中断</td> 
   <td>不支持</td> 
   <td>支持</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>当前线程释放锁并进入超时等待状态</td> 
   <td>支持</td> 
   <td>支持</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>当前线程释放锁并进入等待状态到将来的某个时间</td> 
   <td>不支持</td> 
   <td>支持</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>唤醒等待队列中的一个线程</td> 
   <td>支持</td> 
   <td>支持</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>唤醒等待队列中的全部线程</td> 
   <td>支持</td> 
   <td>支持</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## Condition示例 ##

Condition定义了等待/通知两种类型的方法，当前线程调用这些方法时，需要提前获取到Condition对象关联的锁。Condition对象是由Lock对象（调用Lock对象的newCondition()方法）创建出来的，换句话说，Condition是依赖Lock对象的。

Condition的使用方式比较简单，需要注意在调用方法前获取锁，使用方式如下所示。

public class ConditionUseCase {
    	Lock lock = new ReentrantLock();
    	Condition condition = lock.newCondition();
    	public void conditionWait() throws InterruptedException {
    		this.lock.lock();
    		try {
    			this.condition.await();
    		} finally {
    			this.lock.unlock();
    		}
    	}
    	public void conditionSignal() {
    		this.lock.lock();
    		try {
    			this.condition.signal();
    		} finally {
    			this.lock.unlock();
    		}
    	}
    }

如上面所示，一般都会将Condition对象作为成员变量。当调用await()方法后，当前线程会释放锁并在此等待，而其他线程调用Condition对象的signal()方法，通知当前线程后，当前线程才从await()方法返回，并且在返回前已经获取了锁。

获取一个Condition必须通过Lock的newCondition()方法。下面通过一个有界队列的示例来深入了解Condition的使用方式。有界队列是一种特殊的队列，当队列为空时，队列的获取操作将会阻塞获取线程，直到队列中有新增元素，当队列已满时，队列的插入操作将会阻塞插入线程，直到队列出现“空位”，如下所示。

public class BoundedQueue<T> {
    	private Object[] items;
    	// 添加的下标，删除的下标和数组当前数量
    	private int addIndex, removeIndex, count;
    	private Lock lock = new ReentrantLock();
    	private Condition notEmpty = this.lock.newCondition();
    	private Condition notFull = this.lock.newCondition();
    	public BoundedQueue(int size) {
    		this.items = new Object[size];
    	}
    	/**
    	 * 添加一个元素，如果数组满，则添加线程进入等待状态，直到有“空位”
    	 * @param t
    	 * @throws InterruptedException
    	 */
    	public void add(T t) throws InterruptedException {
    		this.lock.lock();
    		try {
    			while (this.count == this.items.length) this.notFull.await();
    			this.items[addIndex] = t;
    			if(++this.addIndex == this.items.length) this.addIndex = 0;
    			++this.count;
    			this.notEmpty.signal();
    		} finally {
    			this.lock.unlock();
    		}
    	}
    	/**
    	 * 由头部删除一个元素，如果数组空，则删除线程进入等待状态，直到有新添加元素
    	 * @return
    	 * @throws InterruptedException
    	 */
    	@SuppressWarnings("unchecked")
    	public T remove() throws InterruptedException {
    		this.lock.lock();
    		try {
    			while (this.count == 0) this.notEmpty.await();
    			Object x = this.items[this.removeIndex];
    			if(++this.removeIndex == this.items.length) this.removeIndex = 0;
    			--this.count;
    			this.notFull.signal();
    			return (T)x;
    		} finally {
    			this.lock.unlock();
    		}
    	}
    }

上述示例中，BoundedQueue通过add(T t)方法添加一个元素，通过remove()方法移出一个元素。以添加方法为例。

首先需要获得锁，目的是确保数组修改的可见性和排他性。当数组数量等于数组长度时，表示数组已满，则调用notFull.await()，当前线程随之释放锁并进入等待状态。如果数组数量不等于数组长度，表示数组未满，则添加元素到数组中，同时通知等待在notEmpty上的线程，数组中已经有新元素可以获取。

在添加和删除方法中使用while循环而非if判断，目的是防止过早或意外的通知，只有条件符合才能够退出循环。与等待/通知的经典范式是非常类似的。

## Condition的实现分析 ##

ConditionObject是同步器AbstractQueuedSynchronizer的内部类，因为Condition的操作需要获取相关联的锁，所以作为同步器的内部类也较为合理。每个Condition对象都包含着一个队列（以下称为等待队列），该队列是Condition对象实现等待/通知功能的关键。

下面将分析Condition的实现，主要包括：等待队列、等待和通知，下面提到的Condition如果不加说明均指的是ConditionObject。

### 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。事实上，节点的定义复用了同步器中节点的定义，也就是说，同步队列和等待队列中节点类型都是同步器的静态内部类AbstractQueuedSynchronizer.Node。

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，将会以当前线程构造节点，并将节点从尾部加入等待队列，等待队列的基本结构如下所示。

![20181206160608273.png][]

如上图所示，Condition拥有首尾节点的引用，而新增节点只需要将原有的尾节点nextWaiter指向他，并且更新尾节点即可。上述节点引用更新的过程并没有使用CAS保证，原因在于调用await()方法的线程必定是获取了锁的线程，也就是说该过程是由锁来保证线程安全的。

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，而并发包中的Lock（更确切的说是同步器）拥有一个同步队列和多个等待队列，其对应关系如下图所示。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2VuX2pva2Vy_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

如上图，Condition的实现是同步器的内部类，因此每个Condition实例都能够访问同步器提供的方法，相当于每个Condition都拥有所属同步器的引用。

### 等待 ###

调用Condition的await()方法（或者以await开头的方法），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。当从await()方法返回时，当前线程一定获取了Condition相关联的锁。

如果从队列（同步队列和等待队列）的角度看await()方法，当调用await()方法时，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。

Condition的await()方法，如下所示。

public final void await() throws InterruptedException {
                if (Thread.interrupted())
                    throw new InterruptedException();
                Node node = addConditionWaiter();
                int 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);
            }

调用该方法的线程成功获取了锁的线程，也就是同步队列中的首节点，该方法会将当前线程构造成节点并加入等待队列中，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，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。

如果从队列的角度去看，当前线程加入Condition的等待队列，该过程如下所示。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2VuX2pva2Vy_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

如上图所示，同步队列的首节点并不会直接加入等待队列，而是通过addConditionWaiter()方法把当前线程构造成一个新的节点并将其加入等待队列中。

### 通知 ###

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signal()方法，如下所示。

public final void signal() {
                if (!isHeldExclusively())
                    throw new IllegalMonitorStateException();
                Node first = firstWaiter;
                if (first != null)
                    doSignal(first);
            }

调用该方法的前置条件是当前线程必须获取了锁，可以看到signal()方法进行了isHeldExclusively()检查，也就是当前线程必须是获取了锁的线程。接着获取等待队列的首节点，将其移动到同步队列并使用LockSupport唤醒节点中的线程。  
节点从等待队列移动到同步队列的过程如下图所示。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2VuX2pva2Vy_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

通过调用同步器的enq(Node node)方法，等待队列中的头节点线程安全的移动到同步队列。当节点移动到同步队列后，当前线程再使用LockSupport唤醒该节点的线程。

被唤醒后的线程，将从await()方法中的while循环中退出（isOnSyncQueue(Node node)方法返回true，节点已经在同步队列中），进而调用同步器的acquireQueued()方法加入到获取同步状态的竞争中。

成功获取同步状态（或者说锁）之后，被唤醒的线程将从先前调用的await()方法返回，此时该线程已经成功的获取了锁。

Condition的signalAll()方法，相当于对等待队列中的每个节点执行一次signal()方法，效果就是将等待队列中所有节点全部移动到同步队列中，并唤醒每个节点的线程。

[20181206160608273.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/01/29/c88fcde46f4f4fc7a04283d18b41b9da.png
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