AQS中的Condition是什么?
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今天来和大家聊聊Condition
,Condition
为AQS“家族”提供了等待与唤醒的能力,使AQS"家族"具备了像synchronized
一样暂停与唤醒线程的能力。我们先来看两道关于Condition
的面试题目:
Condition
和Object
的等待与唤醒有什么区别?- 什么是
Condition
队列?
接下来,我们就按照“是什么”,“怎么用”和“如何实现”的顺序来揭开Condition
的面纱吧。
Condition是什么?
Condition
是Java中的接口,提供了与Object#wait
和Object#notify
相同的功能。Doug Lea在Condition
接口的描述中提到了这点:
Conditions (also known as condition queues or condition variables) provide a means for one thread to suspend execution (to “wait”) until notified by another thread that some state condition may now be true.
来看Condition
接口中提供了哪些方法:
public interface Condition {void await() throws InterruptedException;void awaitUninterruptibly();long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;void signal();void signalAll();
}
Condition
只提供了两个功能:等待(await)和唤醒(signal),与Object
提供的等待与唤醒时相似的:
public final void wait() throws InterruptedException;public final void wait(long timeoutMillis, int nanos) throws InterruptedException;public final native void wait(long timeoutMillis) throws InterruptedException;@HotSpotIntrinsicCandidate
public final native void notify();@HotSpotIntrinsicCandidate
public final native void notifyAll();
唤醒功能上,Condition
与Object
的差异并不大:
Condition#signal
≈ \approx ≈Object#notify
Condition#signalAll
= = =Object#notifyAll
多个线程处于等待状态时,Object#notify()
是“随机”唤醒线程,而Condition#signal
则由具体实现决定如何唤醒线程,如:ConditionObject
唤醒的是最早进入等待的线程,但两个方法均只唤醒一个线程。
等待功能上,Condition
与Object
的共同点是:都会释放持有的资源,Condition
释放锁,Object
释放Monitor,即进入等待状态后允许其他线程获取锁/监视器。主要的差异体现在Condition
支持了更加丰富的场景,通过一张表格来对比下:
Condition 方法
|
Object 方法
|
解释 |
---|---|---|
Condition#await()
|
Object#wait()
|
暂停线程,抛出线程中断异常 |
Condition#awaitUninterruptibly()
|
/ | 暂停线程,不抛出线程中断异常 |
Condition#await(time, unit)
|
Object#wait(timeoutMillis, nanos)
|
暂停线程,直到被唤醒或等待指定时间后,超时后自动唤醒返回false,否则返回true |
Condition#awaitUntil(deadline)
|
/ | 暂停线程,直到被唤醒或到达指定时间点,超时后自动唤醒返回false,否则返回true |
Condition#awaitNanos(nanosTimeout)
|
/ | 暂停线程,直到被唤醒或等待指定时间后,返回值表示被唤醒时的剩余时间(nanosTimeout-耗时),结果为负数表示超时 |
除了以上差异外,Condition
还支持创建多个等待队列,即同一把锁拥有多个等待队列,线程在不同队列中等待,而Object
只有一个等待队列。《Java并发编程的艺术》中也有一张类似的表格,放在这里供大家参考:
Tips:
- 实际上signal翻译为唤醒并不恰当~~
- 涉及到
Condition
的实现部分,下文通过AQS中的ConditionObject
详细解释。
Condition怎么用?
既然Condition
与Object
提供的等待与唤醒功能相同,那么它们的用法是不是也很相似呢?
与调用Object#wait
和Object#notifyAll
必须处于synchronized
修饰的代码中一样(获取Monitor),调用Condition#await
和Condition#signalAll
的前提是要先获取锁。但不同的是,使用Condition
前,需要先通过锁去创建Condition
。
以ReentrantLock
中提供的Condition
为例,首先是创建Condition
对象:
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
Condition condition = lock.newCondition();
然后是获取锁并调用await
方法:
new Thread(() -> {lock.lock();try {condition.await();} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}lock.unlock();
}
最后,通过调用singalAll
唤醒全部阻塞中的线程:
new Thread(() -> {lock.lock();condition.signalAll();lock.unlock();
}
ConditionObject的源码分析
作为接口Condition
非常惨,因为在Java中只有AQS中的内部类ConditionObject
实现了Condition
接口:
public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable {public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {private transient Node firstWaiter;private transient Node lastWaiter;}static final class Node {// 省略}
}
ConditionObject
只有两个Node
类型的字段,分别是链式结构中的头尾节点,ConditionObject
就是通过它们实现的等待队列。那么ConditionObject
的等待队列起到了怎样的作用呢?是类似于AQS中的排队机制吗?带着这两个问题,我们正是开始源码的分析。
await方法的实现
Condition
接口中定义了4个线程等待的方法:
void await() throws InterruptedException
void awaitUninterruptibly();
long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;
boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;
方法虽然很多,但它们之间的差异较小,只体现在时间的处理上,我们看其中最常用的方法:
public final void await() throws InterruptedException {// 线程中断,抛出异常if (Thread.interrupted()) {throw new InterruptedException();}// 注释1:加入到Condition的等待队列中Node node = addConditionWaiter();// 注释2:释放持有锁(调用AQS的release)int savedState = fullyRelease(node);int interruptMode = 0;// 注释3:判断是否在AQS的等待队列中while (!isOnSyncQueue(node)) {LockSupport.park(this);// 中断时退出方法if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) {break;}}// 加入到AQS的等待队列中,调用AQS的acquireQueued方法if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE) {interruptMode = REINTERRUPT;}// 断开与Condition队列的联系if (node.nextWaiter != null) {unlinkCancelledWaiters();}if (interruptMode != 0) {reportInterruptAfterWait(interruptMode);}
}
注释1的部分,调用addConditionWaiter
方法添加到Condition
队列中:
private Node addConditionWaiter() {// 判断当前线程是否为持有锁的线程if (!isHeldExclusively()) {throw new IllegalMonitorStateException();}// 获取Condition队列的尾节点Node t = lastWaiter;// 断开不再位于Condition队列的节点if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {unlinkCancelledWaiters();t = lastWaiter;}// 创建Node.CONDITION模式的Node节点Node node = new Node(Node.CONDITION);if (t == null) {// 队列为空的场景,将node设置为头节点firstWaiter = node;} else {// 队列不为空的场景,将node添加到尾节点的后继节点上t.nextWaiter = node;}// 更新尾节点lastWaiter = node;return node;
}
可以看到,Condition
的队列是一个朴实无华的双向链表,每次调用addConditionWaiter
方法,都会加入到Condition
队列的尾部。
注释2的部分,释放线程持有的锁,同时移出AQS的队列,内部调用了AQS的release
方法:
=final int fullyRelease(Node node) {try {int savedState = getState();if (release(savedState)) {return savedState;}throw new IllegalMonitorStateException();} catch (Throwable t) {node.waitStatus = Node.CANCELLED;throw t;}
}
因为已经分析过AQS的release
方法和ReentrantLock
实现的tryRelease
方法,这里我们就不过多赘述了。
注释3的部分,isOnSyncQueue
判断当前线程是否在AQS的等待队列中,我们来看此时存在的情况:
- 如果
isOnSyncQueue
返回false
,即线程不在AQS的队列中,进入自旋,调用LockSupport#park
暂停线程; - 如果
isOnSyncQueue
返回true
,即线程在AQS的队列中,不进入自旋,执行后续逻辑。
结合注释1和注释2的部分,Condition#await
的实现原理了就很清晰了:
Condition
与AQS分别维护了一个等待队列,而且是互斥的,即同一个节点只会出现在一个队列中;- 当调用
Condition#await
时,将线程添加到Condition
的队列中(注释1),同时从AQS队列中移出(注释2); - 接着判断线程位于的队列:
- 位于
Condition
队列中,该线程需要被暂停,调用LockSupport#park
; - 位于AQS队列中,该线程正在等待获取锁。
- 位于
基于以上的结论,我们已经能够猜到唤醒方法Condition#signalAll
的原理了:
- 将线程从
Condition
队列中移出,并添加到AQS的队列中; - 调用
LockSupport.unpark
唤醒线程。
至于这个猜想是否正确,我们接着来看唤醒方法的实现。
Tips:如果忘记了AQS中相关方法是如何实现的,可以回顾下《AQS的今生,构建出JUC的基础》。
signal和signalAll方法的实现
来看signal
和signalAll
的源码:
// 唤醒一个处于等待中的线程
public final void signal() {if (!isHeldExclusively()) {throw new IllegalMonitorStateException();}// 获取Condition队列中的第一个节点Node first = firstWaiter;if (first != null) {// 唤醒第一个节点doSignal(first);}
}// 唤醒全部处于等待中的线程
public final void signalAll() {if (!isHeldExclusively()){throw new IllegalMonitorStateException();}Node first = firstWaiter;if (first != null) {// 唤醒所有节点doSignalAll(first);}
}
两个方法唯一的差别在于头节点不为空的场景下,是调用doSignal
唤醒一个线程还是调用doSignalAll
唤醒所有线程:
private void doSignal(Node first) {do {// 更新头节点if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null) {// 无后继节点的场景lastWaiter = null;}// 断开节点的连接first.nextWaiter = null;// 唤醒头节点} while (!transferForSignal(first) && (first = firstWaiter) != null);
}private void doSignalAll(Node first) {// 将Condition的队列置为空lastWaiter = firstWaiter = null;do {// 断开链接Node next = first.nextWaiter;first.nextWaiter = null;// 唤醒当前头节点transferForSignal(first);// 更新头节点first = next;} while (first != null);
}
可以看到,无论是doSignal
还是doSignalAll
都只是将节点移出Condition
队列,而真正起到唤醒作用的是transferForSignal
方法,从方法名可以看到该方法是通过“转移”进行唤醒的,我们来看源码:
final boolean transferForSignal(Node node) {// 通过CAS替换node的状态// 如果替换失败,说明node不处于Node.CONDITION状态,不需要唤醒if (!node.compareAndSetWaitStatus(Node.CONDITION, 0)) {return false;}// 将节点添加到AQS的队列的队尾// 并返回老队尾节点,即node的前驱节点Node p = enq(node);int ws = p.waitStatus;// 对前驱节点状态的判断if (ws > 0 || !p.compareAndSetWaitStatus(ws, Node.SIGNAL)) {LockSupport.unpark(node.thread);}return true;
}
transferForSignal
方法中,调用enq
方法将node
重新添加到AQS的队列中,并返回node
的前驱节点,随后对前驱节点的状态进行判断:
- 当 w s > 0 ws > 0 ws>0时,前驱节点处于
Node.CANCELLED
状态,前驱节点退出锁的争抢,node
可以直接被唤醒; - 当 w s ≤ 0 ws \leq 0 ws≤0时,通过CAS修改前驱节点的状态为
Node.SIGNAL
,设置失败时,直接唤醒node
。
《AQS的今生,构建出JUC的基础》中介绍了waitStatus
的5种状态,其中Node.SIGNAL
状态表示需要唤醒后继节点。另外,在分析shouldParkAfterFailedAcquire
方法的源码时,我们知道在进入AQS的等待队列时,需要将前驱节点的状态更新为Node.SIGNAL
。
最后来看enq
的实现:
private Node enq(Node node) {for (;;) {// 获取尾节点Node oldTail = tail;if (oldTail != null) {// 更新当前节点的前驱节点node.setPrevRelaxed(oldTail);// 更新尾节点if (compareAndSetTail(oldTail, node)) {oldTail.next = node;// 返回当前节点的前驱节点(即老尾节点)return oldTail;}} else {initializeSyncQueue();}}
}
enq
的实现就非常简单了,通过CAS更新AQS的队列尾节点,相当于添加到AQS的队列中,并返回尾节点的前驱节点。好了,唤醒方法的源码到这里就结束了,是不是和我们当初的猜想一模一样呢?
图解ConditionObject原理
功能上,Condition
实现了AQS版Object#wait
和Object#notify
,用法上也与之相似,需要先获取锁,即需要在lock
与unlock
之间调用。原理上,简单来说就是线程在AQS的队列和Condition
的队列之间的转移。
线程t持有锁
假设有线程t已经获取了ReentrantLock
,线程t1,t2和t3正在AQS的队列中等待,我们可以得到这样的结构:
线程t执行Condition#await
如果线程t中调用了Condition#await
方法,线程t进入Condition
的等待队列中,线程t1获取ReentrantLock
,并从AQS的队列中移出,结构如下:
线程t1执行Condition#await
如果线程t1中也执行了Condition#await
方法,同样线程t1进入Condition
队列中,线程t2获取到ReentrantLock
,结构如下:
线程t2执行Condition#signal
如果线程t2执行了Condition#signal
,唤醒Condition
队列中的第一个线程,此时结构如下:
通过上面的流程,我们就可以得到线程是如何在Condition
队列与AQS队列中转移的:
结语
关于Condition
的内容到这里就结束了,无论是理解,使用还是剖析原理,Condition
的难度并不高,只不过大家可能平时用得比较少,因此多少有些陌生。
最后,截止到文章发布,我应该是把开头两道题目的题解写完了吧~~
好了,今天就到这里了,Bye~~
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