Java并发编程-锁（八）

于 2025-05-10 10:05:59 发布
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Condition的使用和实现

我们知道，任意一个Java Object，都拥有一组监视器方法，主要包括wait()、 wait(long timeout)、notify()以及notifyAll()方法，这些方法和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，和Lock配合也可以实现等待/通知模式，但是这两者在使用以及功能上还是有比较大差别的。

Condition定义了等待/通知这两种类型的方法，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。而Condition对象是由Lock对象，也就是调用Lock对象的newCondition()方法创建出来的，我们前面讲Lock接口的时候也提到过，换句话说，Condition其实是依赖Lock对象的。

使用

Condition的使用方式比较简单，只是需要注意下在调用方法前先要获取到锁。

下面我们就通过一个有界队列的示例来深入了解下Condition的使用方式。

首先，介绍下有界队列，顾名思义，有界队列就是一种特殊的队列，当队列为空时，队列的获取操作就会阻塞获取线程，直到队列中有新增元素，当队列满了，队列的插入操作就会阻塞插入线程，直到队列出现“空位”。

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class BoundedQueue<T> {
    private Object[]  items;
    // 添加的下标，删除的下标和数据当前的数量
    private int       addIndex, removeIndex, count;
    private Lock      lock     = new ReentrantLock();
    private Condition notEmpty = lock.newCondition();
    private Condition notFull  = lock.newCondition();
    public BoundedQueue(int size) {
        items = new Object[size];
    }
    // 添加一个元素，如果数组满了，就让线程进入到等待队列，直到数组有空位
    public void add(T t) throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (count == items.length) // 防止虚假唤醒
                notFull.await();
            items[addIndex] = t;
            if (++addIndex == items.length)
                addIndex = 0;
            ++count;
            notEmpty.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    // 从头删除一个元素，如果数组是空的，则删除线程进入等待状态，直到有新添加元素
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public T remove() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (count == 0) // 防止虚假唤醒
                notEmpty.await();
            Object x = items[removeIndex];
            if (++removeIndex == items.length)
                removeIndex = 0;
            --count;
            notFull.signal();
            return (T) x;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

add(T t)

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。

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，就会调用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，表示数组没满，就添加元素到数组中，同时通知等待在notEmpty上的线程，告知数 组中已经有新元素可以获取。

注意，在添加和删除方法中使用while循环而不是if判断，目的就是为了防止过早或意外的通知，只有条件符合才能够退出循环。

回想下之前提到的等待/通知的经典范式，两者是非常类似的。

实现

Condition接口的实现 ConditionObject其实是同步器AbstractQueuedSynchronizer的内部类，因为Condition的操作需要 获取相关联的锁。每个Condition对象都包含着一个队列(下面我们就把它叫做等待队列)，这个队列是Condition对象实现等待/通知功能的关键所在。

所以呢，要分析Condition的实现，关键内容就是这3个:

等待队列、等待和通知，接下来我们提到的Condition如果没有特别说明都指的是ConditionObject类。

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，这个线程就是 在Condition对象上等待的线程，如果一个线程调用了Condition.await()方法，那么这个线程就会 释放锁、构造成节点加入等待队列并进入等待状态。

事实上，这个节点的定义其实复用了同步器中节点 的定义，也就是 AbstractQueuedSynchronizer中的Node类。

一个Condition包含一个等待队列，Condition拥有首节点(firstWaiter)和尾节点 (lastWaiter）这两个属性。当前线程调用Condition.await()方法之后，就会用当前线程来构造节点，并把节点从尾部 加入到等待队列里面，先来看下等待队列的基本结构。

在这里插入图片描述

可以看到，Condition拥有首尾节点的引用，而新增节点只需要把原有的尾节点的nextWaiter 属性指向它，并且更新尾节点就可以了。

注意，上面的节点引用更新的过程并没有使用CAS来保证线程安全，原因就在于调用 await()方法的线程肯定是获取了锁的线程。

对比下 Object的监视器模型，一个对象只有一个同步队列和等待队列，而并发包里的 Lock(更确切地说是同步器)有一个同步队列和多个等待队列，他们是这样对应的。

在这里插入图片描述

Condition的实现其实是同步器的内部类，所以每个Condition实例都能够访问到同步器 提供的方法。

大致了解了等待队列的结构之后，我们来看看等待的实现方式。

await()

调用Condition的await()方法(或者以await开头的方法)，会让当前线程进入等待队列并且释放锁，同时线程状态会变为等待状态。而当线程从await()方法返回时，当前线程一定已经获取了和Condition相关联的锁。

如果从队列，也就是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，也就是获取了锁的节点 移动到了Condition的等待队列里面。

注意，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 然后再加入到等待队列中

在这里插入图片描述

来看下代码，Condition的await()方法

public final void await() throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
    //若线程已被中断（例如 Thread.interrupted() 返回 true），直接抛出 InterruptedException
        throw new InterruptedException();
    Node node = addConditionWaiter(); //将当前线程封装为节点，添加到条件变量对应的等待队列尾部
    //完全释放当前线程持有的锁（注意是彻底释放，包括重入锁的全部计数）。
    //例如，线程持有锁时多次重入，此方法会将锁状态重置为初始值
    int savedState = fullyRelease(node);
    int interruptMode = 0;
    while (!isOnSyncQueue(node)) { //检查是否被唤醒并移入同步队列
        LockSupport.park(this);// 挂起线程
        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
        //检查中断标记 checkInterruptWhileWaiting(node)，若中断发生则退出循环
            break;
    }
    //退出等待循环后，通过 acquireQueued(node, savedState) 重新在同步队列中排队获取锁（与普通锁竞争逻辑一致）
    if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
    //处理线程重新获取锁过程中可能发生的中断，并调整中断模式
        interruptMode = REINTERRUPT;
    if (node.nextWaiter != null) 
    //清理条件队列（Condition Queue）中已被取消的等待节点，保持队列的干净和高效
        unlinkCancelledWaiters(); 
    if (interruptMode != 0)
        reportInterruptAfterWait(interruptMode); //上报中断状态
}

private void reportInterruptAfterWait(int interruptMode)
    throws InterruptedException {
    if (interruptMode == THROW_IE)
        throw new InterruptedException(); // 等待过程的中断直接抛出异常
    else if (interruptMode == REINTERRUPT)
        selfInterrupt(); // 重新获取锁过程的中断，设置中断标记位，由上层处理
}

调用这个方法的线程必须是成功获取了锁的线程，也就是同步队列中的首节点，这个方法会把当前线程构造成节点并加入等待队列里面，然后释放同步状态，唤醒同步队列中的后继节点，然后当前线程就会进入等待状态。

而当等待队列中的节点被唤醒，被唤醒节点的线程就会开始尝试获取同步状态。

中断处理：

假设线程A调用 await() 后被唤醒，进入同步队列排队等待锁：

  • 若此时线程再次被中断（如 interrupt() 调用），则 acquireQueued() 返回 true；

  • 若原 interruptMode 是 0（无中断或已处理），则更新为 REINTERRUPT，后续在 reportInterruptAfterWait() 中调用 selfInterrupt() 恢复中断状态

类比说明（食堂排队场景）

在这里插入图片描述

  1. 点餐时发现没菜：
    你（线程）在食堂点餐发现没菜（条件不满足），把座位（锁）让给其他人（释放锁），排到“等菜队伍”（Condition 队列）中等候.

  2. 等待厨师补菜：
    厨师（其他线程）补菜后大喊“菜来了！”（调用 signal()），你会被从“等菜队伍”转移到“取餐队伍”（同步队列）。这时你需要重新抢座位（锁）才能开始就餐（继续执行）

signal()

调用 Condition 的 signal() 方法，会唤醒在等待队列中等待时间最⻓的节点， 也就是首节点，在唤醒节点之前，会先把节点移到同步队列里面。

在这里插入图片描述

调用这个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。

看看 signal 方法, 也就是通知方法，代码很简单

public final void signal() {
    if (!isHeldExclusively()) // 当前线程必须是获取了锁的线程
        throw new IllegalMonitorStateException();
    Node first = firstWaiter;
    if (first != null)
        doSignal(first); // 唤醒首节点
}

接着获取等待队列的首节点，调用 doSignal 执行唤醒

private void doSignal(Node first) {
// 将条件队列中的节点转移到同步队列（Sync Queue）以唤醒线程
    do {
        if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null) // 更新头节点
            lastWaiter = null; // 重置尾节点
        first.nextWaiter = null; // 断开链接
    } while (!transferForSignal(first) &&
             (first = firstWaiter) != null);
}

我们看看是怎么唤醒的? 可以看到，这里是一个循环，循环内部执行的操作就是:

  1. 更新头节点：将 firstWaiter（条件队列的头部指针）指向当前节点的下一个节点 first.nextWaiter。

  2. 重置尾节点：若 first 是队列的最后一个节点（nextWaiter == null），则清空 lastWaiter，保持队列一致性.

  3. 断开链接：first.nextWaiter = null 将当前节点从条件队列移除，避免循环引用

循环退出的条件就是： 某个节点成功转移（transferForSignal(first) 返回 true）或者队列遍历结束（无更多节点可处理）。

我们看看它是怎么移动的呢?

final boolean transferForSignal(Node node) {
    if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
        //如果节点状态无法改变，说明已经被cancel
        return false;
    Node p = enq(node); // 线程安全地移动等待队列的头节点到同步队列
    int ws = p.waitStatus;
    if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
        LockSupport.unpark(node.thread);
    return true;
}

通过调用同步器的 enq(Node node) 方法，等待队列中的头节点会被线程 安全地移动到同步队列。这个方法我们之前看过，就不具体看了 。

当节点移动到同步队列后，再使用 LockSupport 唤醒该节点的线程。被唤醒后的线程，会从 await() 方法中的 while 循环中退出 (也就是 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。

最后 ，成功获取同步状态 (或者说锁) 之后，被唤醒的线程会从调用的 await() 方法中返回，这个时候线程已经成功地获取了锁。

signalAll()

public final void signalAll() {
    if (!isHeldExclusively())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    Node first = firstWaiter;
    if (first != null)
        doSignalAll(first);
}
private void doSignalAll(Node first) {
    lastWaiter = firstWaiter = null;
    do {
        Node next = first.nextWaiter; //记录当前节点的下一个节点 next
        first.nextWaiter = null;//断开当前节点的链接，防止残留引用干扰遍历
        transferForSignal(first);//将节点传入同步队列，唤醒对应线程
        first = next;//移动至下一个节点
    } while (first != null);
}

看看 Condition的signalAll()方法，它其实就相当于对等待队列中的每个节点 都执行一次 signal() 方法，效果就是把等待队列中所有节点全部移动到同步队 列当中，并且唤醒每个节点的线程。

总结

这一节主要介绍了Java并发包中和锁相关的API和组件，也通过示例展示了这些API和组件的使用 方式以及需要注意的地方，并且在此基础上我们一起详细地剖析了队列同步器、重入锁、读写锁以及 Condition等 API和组件的实现细节。只有真正理解了这些API和组件的实现细节才能够更加准确地运用它们。

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