上節(jié)我們介紹了顯式鎖，本節(jié)介紹關(guān)聯(lián)的顯式條件，介紹其用法和原理。顯式條件也可以被稱做條件變量、條件隊(duì)列、或條件，后文我們可能會(huì)交替使用。
用法
基本概念和方法
鎖用于解決競(jìng)態(tài)條件問題，條件是線程間的協(xié)作機(jī)制。顯式鎖與synchronzied相對(duì)應(yīng)，而顯式條件與wait/notify相對(duì)應(yīng)。wait/notify與synchronized配合使用，顯式條件與顯式鎖配合使用。
條件與鎖相關(guān)聯(lián)，創(chuàng)建條件變量需要通過顯式鎖，Lock接口定義了創(chuàng)建方法：
Condition newCondition();
Condition表示條件變量，是一個(gè)接口，它的定義為：
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();
}
await()對(duì)應(yīng)于Object的wait()，signal()對(duì)應(yīng)于notify，signalAll()對(duì)應(yīng)于notifyAll()，語義也是一樣的。
與Object的wait方法類似，await也有幾個(gè)限定等待時(shí)間的方法，但功能更多一些：
//等待時(shí)間是相對(duì)時(shí)間，如果由于等待超時(shí)返回，返回值為false，否則為trueboolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;//等待時(shí)間也是相對(duì)時(shí)間，但參數(shù)單位是納秒，返回值是nanosTimeout減去實(shí)際等待的時(shí)間long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;//等待時(shí)間是絕對(duì)時(shí)間，如果由于等待超時(shí)返回，返回值為false，否則為trueboolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;
這些await方法都是響應(yīng)中斷的，如果發(fā)生了中斷，會(huì)拋出InterruptedException，但中斷標(biāo)志位會(huì)被清空。Condition還定義了一個(gè)不響應(yīng)中斷的等待方法：
void awaitUninterruptibly();
該方法不會(huì)由于中斷結(jié)束，但當(dāng)它返回時(shí)，如果等待過程中發(fā)生了中斷，中斷標(biāo)志位會(huì)被設(shè)置。
一般而言，與Object的wait方法一樣，調(diào)用await方法前需要先獲取鎖，如果沒有鎖，會(huì)拋出異常IllegalMonitorStateException。await在進(jìn)入等待隊(duì)列后，會(huì)釋放鎖，釋放CPU，當(dāng)其他線程將它喚醒后，或等待超時(shí)后，或發(fā)生中斷異常后，它都需要重新獲取鎖，獲取鎖后，才會(huì)從await方法中退出。
另外，與Object的wait方法一樣，await返回后，不代表其等待的條件就一定滿足了，通常要將await的調(diào)用放到一個(gè)循環(huán)內(nèi)，只有條件滿足后才退出。
一般而言，signal/signalAll與notify/notifyAll一樣，調(diào)用它們需要先獲取鎖，如果沒有鎖，會(huì)拋出異常IllegalMonitorStateException。signal與notify一樣，挑選一個(gè)線程進(jìn)行喚醒，signalAll與notifyAll一樣，喚醒所有等待的線程，但這些線程被喚醒后都需要重新競(jìng)爭(zhēng)鎖，獲取鎖后才會(huì)從await調(diào)用中返回。
用法示例
ReentrantLock實(shí)現(xiàn)了newCondition方法，通過它，我們來看下條件的基本用法。我們實(shí)現(xiàn)與67節(jié)類似的例子WaitThread，一個(gè)線程啟動(dòng)后，在執(zhí)行一項(xiàng)操作前，等待主線程給它指令，收到指令后才執(zhí)行，示例代碼為：
public class WaitThread extends Thread { private volatile boolean fire = false; private Lock lock = new ReentrantLock(); private Condition condition = lock.newCondition();
@Override public void run() { try {
lock.lock(); try { while (!fire) {
condition.await();
}
} finally {
lock.unlock();
}
System.out.println("fired");
} catch (InterruptedException e) {
Thread.interrupted();
}
} public void fire() {
lock.lock(); try { this.fire = true;
condition.signal();
} finally {
lock.unlock();
}
} public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
WaitThread waitThread = new WaitThread();
waitThread.start();
Thread.sleep(1000);
System.out.println("fire");
waitThread.fire();
}
}
需要特別注意的是，不要將signal/signalAll與notify/notifyAll混淆，notify/notifyAll是Object中定義的方法，Condition對(duì)象也有，稍不注意就會(huì)誤用，比如，對(duì)上面例子中的fire方法，可能會(huì)寫為：
public void fire() {
lock.lock(); try { this.fire = true;
condition.notify();
} finally {
lock.unlock();
}
}
寫成這樣，編譯器不會(huì)報(bào)錯(cuò)，但運(yùn)行時(shí)會(huì)拋出IllegalMonitorStateException，因?yàn)閚otify的調(diào)用不在synchronized語句內(nèi)。
同樣，避免將鎖與synchronzied混用，那樣非常令人混淆，比如：
public void fire() { synchronized(lock){ this.fire = true;
condition.signal();
}
}
記住，顯式條件與顯式鎖配合，wait/notify與synchronized配合。
生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式
在67節(jié)，我們用wait/notify實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式，我們提到了wait/notify的一個(gè)局限，它只能有一個(gè)條件等待隊(duì)列，分析等待條件也很復(fù)雜。在生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式中，其實(shí)有兩個(gè)條件，一個(gè)與隊(duì)列滿有關(guān)，一個(gè)與隊(duì)列空有關(guān)。使用顯式鎖，可以創(chuàng)建多個(gè)條件等待隊(duì)列。下面，我們用顯式鎖/條件重新實(shí)現(xiàn)下其中的阻塞隊(duì)列，代碼為：
static class MyBlockingQueue<E> { private Queue<E> queue = null; private int limit; private Lock lock = new ReentrantLock(); private Condition notFull = lock.newCondition(); private Condition notEmpty = lock.newCondition(); public MyBlockingQueue(int limit) { this.limit = limit;
queue = new ArrayDeque<>(limit);
} public void put(E e) throws InterruptedException {
lock.lockInterruptibly(); try{ while (queue.size() == limit) {
notFull.await();
}
queue.add(e);
notEmpty.signal();
}finally{
lock.unlock();
}
} public E take() throws InterruptedException {
lock.lockInterruptibly(); try{ while (queue.isEmpty()) {
notEmpty.await();
}
E e = queue.poll();
notFull.signal(); return e;
}finally{
lock.unlock();
}
}
}
定義了兩個(gè)等待條件：不滿(notFull)、不空(notEmpty)，在put方法中，如果隊(duì)列滿，則在noFull上等待，在take方法中，如果隊(duì)列空，則在notEmpty上等待，put操作后通知notEmpty，take操作后通知notFull。
這樣，代碼更為清晰易讀，同時(shí)避免了不必要的喚醒和檢查，提高了效率。Java并發(fā)包中的類ArrayBlockingQueue就采用了類似的方式實(shí)現(xiàn)。
實(shí)現(xiàn)原理
ConditionObject
理解了顯式條件的概念和用法，我們來看下ReentrantLock是如何實(shí)現(xiàn)它的，其newCondition()的代碼為：
public Condition newCondition() { return sync.newCondition();
}sync是ReentrantLock的內(nèi)部類對(duì)象，其newCondition()代碼為：
final ConditionObject newCondition() { return new ConditionObject();
}ConditionObject是AQS中定義的一個(gè)內(nèi)部類，不了解AQS請(qǐng)參看上節(jié)。ConditionObject的實(shí)現(xiàn)也比較復(fù)雜，我們通過一些主要代碼來簡(jiǎn)要探討其實(shí)現(xiàn)原理。ConditionObject內(nèi)部也有一個(gè)隊(duì)列，表示條件等待隊(duì)列，其成員聲明為：
//條件隊(duì)列的頭節(jié)點(diǎn)private transient Node firstWaiter;//條件隊(duì)列的尾節(jié)點(diǎn)private transient Node lastWaiter;
ConditionObject是AQS的成員內(nèi)部類，它可以直接訪問AQS中的數(shù)據(jù)，比如AQS中定義的鎖等待隊(duì)列。
我們看下幾個(gè)方法的實(shí)現(xiàn)，先看await方法。
await實(shí)現(xiàn)分析
下面是await方法的代碼，我們通過添加注釋解釋其基本思路。
public final void await() throws InterruptedException { // 如果等待前中斷標(biāo)志位已被設(shè)置，直接拋異常
if (Thread.interrupted()) throw new InterruptedException(); // 1.為當(dāng)前線程創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)，加入條件等待隊(duì)列
Node node = addConditionWaiter(); // 2.釋放持有的鎖
int savedState = fullyRelease(node); int interruptMode = 0; // 3.放棄CPU，進(jìn)行等待，直到被中斷或isOnSyncQueue變?yōu)閠rue // isOnSyncQueue為true表示節(jié)點(diǎn)被其他線程從條件等待隊(duì)列 // 移到了外部的鎖等待隊(duì)列,等待的條件已滿足
while (!isOnSyncQueue(node)) {
LockSupport.park(this); if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) break;
} // 4.重新獲取鎖
if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
interruptMode = REINTERRUPT; if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled unlinkCancelledWaiters(); // 5.處理中斷，拋出異?；蛟O(shè)置中斷標(biāo)志位
if (interruptMode != 0)
reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}
awaitNanos實(shí)現(xiàn)分析
awaitNanos與await的實(shí)現(xiàn)是基本類似的，區(qū)別主要是會(huì)限定等待的時(shí)間，如下所示：
public final long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException { if (Thread.interrupted()) throw new InterruptedException();
Node node = addConditionWaiter(); int savedState = fullyRelease(node); long lastTime = System.nanoTime(); int interruptMode = 0; while (!isOnSyncQueue(node)) { if (nanosTimeout <= 0L) { //等待超時(shí)，將節(jié)點(diǎn)從條件等待隊(duì)列移到外部的鎖等待隊(duì)列 transferAfterCancelledWait(node); break;
} //限定等待的最長(zhǎng)時(shí)間
LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout); if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) break; long now = System.nanoTime(); //計(jì)算下次等待的最長(zhǎng)時(shí)間
nanosTimeout -= now - lastTime;
lastTime = now;
} if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
interruptMode = REINTERRUPT; if (node.nextWaiter != null)
unlinkCancelledWaiters(); if (interruptMode != 0)
reportInterruptAfterWait(interruptMode); return nanosTimeout - (System.nanoTime() - lastTime);
}
signal實(shí)現(xiàn)分析
signal方法代碼為：
public final void signal() { //驗(yàn)證當(dāng)前線程持有鎖
if (!isHeldExclusively()) throw new IllegalMonitorStateException(); //調(diào)用doSignal喚醒等待隊(duì)列中第一個(gè)線程
Node first = firstWaiter; if (first != null)
doSignal(first);
}
doSignal的代碼就不列舉了，其基本邏輯是：
將節(jié)點(diǎn)從條件等待隊(duì)列移到鎖等待隊(duì)列
調(diào)用LockSupport.unpark將線程喚醒
小結(jié)
本節(jié)介紹了顯式條件的用法和實(shí)現(xiàn)原理。它與顯式鎖配合使用，與wait/notify相比，可以支持多個(gè)條件隊(duì)列，代碼更為易讀，效率更高，使用時(shí)注意不要將signal/signalAll誤寫為notify/notifyAll。
從70節(jié)到本節(jié)，我們介紹了Java并發(fā)包的基礎(chǔ) - 原子變量和CAS、顯式鎖和條件，基于這些，Java并發(fā)包還提供了很多更為易用的高層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、工具和服務(wù)，從下一節(jié)開始，我們先探討一些并發(fā)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
(與其他章節(jié)一樣，本節(jié)所有代碼位于 https://github.com/swiftma/program-logic)
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