17.AQS中的Condition是什么？

作者: 王有志 | 来源:发表于2023-05-16 09:41 被阅读0次

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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：

图1：Condition与Object的对比.png

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。

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 $ws > 0$ 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 $ws \leq 0$ 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：

图2：ReentrantLock的等待队列.png

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：

图3：ReentrantLock中两个队列.png

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：

图4：ReentrantLock中两个队列2.png

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：

图5：ReentrantLock中两个队列3.png

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：

图6：队列间的转换.png

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~~

17.AQS中的Condition是什么？

Condition是什么？

Condition怎么用？

ConditionObject的源码分析

await方法的实现

signal和signalAll方法的实现

图解ConditionObject原理

线程t持有锁

线程t执行Condition#await

线程t1执行Condition#await

线程t2执行Condition#signal

结语

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