深入剖析Java Condition机制：原理、实现、规范与实战案例全解

原创于 2025-07-20 14:55:06 发布 · 429 阅读

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#java #大数据 #开发语言

一、Condition机制的核心原理

1. 定位与优势
Condition是Java 1.5引入的显式锁（Lock）配套机制，用于替代传统的Object.wait()/notify()，提供更精细的线程控制能力：
- • 多条件队列：一个Lock可关联多个Condition（如生产者消费者模型中的"非满"、"非空"条件）
- • 灵活唤醒：支持signal()（唤醒单个）和signalAll()（唤醒全部）
- • 增强控制：提供超时等待（awaitNanos()）、不可中断等待（awaitUninterruptibly()）等扩展
2. 底层实现机制
Condition基于AQS（AbstractQueuedSynchronizer）实现：
- • 条件队列：每个Condition维护独立的FIFO等待队列（与AQS同步队列分离）
- • await()流程：
- • signal()流程：将条件队列的头节点转移到AQS同步队列参与锁竞争

二、核心方法与使用规范

▶ 关键方法

方法	作用	注意点
`await()`	释放锁并阻塞	需在`lock.lock()`和`lock.unlock()`之间调用
`signal()`	唤醒单个等待线程	优先选择最长等待者
`signalAll()`	唤醒所有等待线程	避免信号丢失但可能引发竞争

▶ 强制规范（违反将报错）

1. 锁持有要求
调用await()/signal()/signalAll()前必须持有关联的Lock锁，否则抛出IllegalMonitorStateException
```
lock.lock();  // 必须先获取锁
try {
    condition.await(); 
} finally {
    lock.unlock();
}
```
2. 条件检查范式
必须使用while循环而非if检查条件，防止 虚假唤醒（Spurious Wakeup）：
```
while (条件不满足) {  // 必须用while循环！
    condition.await();
}
```
原因：底层操作系统可能导致线程无故唤醒
3. 中断处理
await()可能抛出InterruptedException，需在代码中明确处理中断逻辑

三、使用实例详解

实例1：生产者-消费者模型（单Condition版）

import java.util.concurrent.locks.*;

publicclassProducerConsumerDemo {
    privatefinalLocklock=newReentrantLock();
    privatefinalConditionnotFull= lock.newCondition(); // 队列非满条件
    privatefinal Queue<Integer> queue = newLinkedList<>();
    privatefinalintCAPACITY=10;

    // 生产者
    publicvoidproduce(int item)throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (queue.size() == CAPACITY) { 
                System.out.println("队列已满，生产者等待");
                notFull.await();  // 释放锁并阻塞
            }
            queue.offer(item);
            System.out.println("生产: " + item);
            notFull.signalAll();  // 唤醒所有等待线程
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    // 消费者
    publicvoidconsume()throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (queue.isEmpty()) {
                System.out.println("队列为空，消费者等待");
                notFull.await();  // 使用同一个条件
            }
            intitem= queue.poll();
            System.out.println("消费: " + item);
            notFull.signalAll();  // 唤醒生产者
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

缺陷：生产者可能唤醒其他生产者，存在无效竞争

实例2：精准唤醒（多Condition版）

class PrecisionWakeupDemo {
    privatefinalLocklock=newReentrantLock();
    privatefinalConditionconditionA= lock.newCondition();
    privatefinalConditionconditionB= lock.newCondition();
    privateintflag=1; // 1:执行A 2:执行B

    publicvoidtaskA()throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (flag != 1) {
                conditionA.await();  // 仅等待条件A
            }
            System.out.println("执行A任务");
            flag = 2;
            conditionB.signal();  // 精准唤醒B
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    publicvoidtaskB()throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (flag != 2) {
                conditionB.await();  // 仅等待条件B
            }
            System.out.println("执行B任务");
            flag = 1;
            conditionA.signal();  // 精准唤醒A
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

优势：避免无效线程唤醒，显著提升性能

四、与传统机制对比

特性	synchronized + wait/notify	Lock + Condition
锁获取方式	隐式（JVM管理）	显式（代码控制）
条件变量数量	1个（Object监视器）	多个（可自定义）
超时控制	有限支持	支持`awaitNanos()`等
中断响应	仅抛异常	支持不可中断模式
唤醒精度	只能全部唤醒（`notifyAll()`）	可精准唤醒指定条件队列