多线程之美8一 AbstractQueuedSynchronizer源码分析<二>

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AQS的源码分析 <二>

该篇主要分析AQS的ConditionObject，是AQS的内部类，实现等待通知机制。

1、条件队列

条件队列与AQS中的同步队列有所不同，结构图如下：

两者区别：

• 1、链表结构不同，条件队列是单向链表，同步队列是双向链表。
• 2、两个队列中等待条件不同，条件队列中线程是已经获取到锁，主动调用await方法释放锁，挂起当前线程，等待某个条件（如IO,mq消息等），同步队列中的线程是等待获取锁，在获取锁失败后挂起等待锁可用。

两者联系：

当等待的某个条件完成，其他线程调用signal方法，通知挂起在条件队列中的线程，会将条件队列中该node移出，加入到同步队列中，node的ws状态由Node.CONDITION改为0 ，开始等待锁。

2、ConditionObject

ConditionObject 和 Node一样，都是AQS的内部类, ConditionObject实现Condition接口，主要实现线程调用 await和signal ，实现线程条件阻塞和通知机制，Condition对象通过 Lock子类调用newConditon方法获取，以

ReentrantLock为例，代码如下：

ReentrantLock lock  = new ReentrantLock();
Condition condition =  lock.newCondition();

可见排他锁的newCondition方法返回的是ConditionObject对象

final ConditionObject newCondition() {
    return new ConditionObject();
}

简单生产者消费示例代码：

package AQS;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
 * @author zdd
 * 2019/12/30 下午
 * Description: 利用ReentrantLock和Condition实现生产者消费者
 */
public class ConditionTest {
   static ReentrantLock lock  = new ReentrantLock();
   static Condition condition =  lock.newCondition();
    public static void main(String[] args) {
       //资源类
        Apple apple = new Apple();
     //1.开启生产者线程
        new Thread(()-> {
            for (;;) {
                lock.lock();
                try {
                    //苹果没有被消费，吃完通知我，我再生产哦
                    if (apple.getNumber() > 0) {
                        condition.await();
                    }
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                    System.out.println("生产一个苹果");
                    apple.addNumber();
                    //通知消费线程消费
                    condition.signal();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }
        },"producer").start();
      //2.开启消费者线程
        new Thread(()-> {
            for (;;) {
                lock.lock();
                try {
                    //苹果数量为0，挂起等待生产苹果，有苹果了会通知
                    if(apple.getNumber() == 0) {
                        condition.await();
                    }
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                    System.out.println("消费一个苹果");
                    apple.decreNumber();
                    //通知生产线程生产
                    condition.signal();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }
        },"consumer").start();

    }
  //定义苹果内部类
   static class Apple {
        //记录苹果数量
        private Integer number =0;
        public void addNumber() {
            number++;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() +"当前苹果数量："+number );
        }
        public void decreNumber() {
            number--;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() +"当前苹果数量："+number);
        }
        public Integer getNumber() {
            return number;
        }
    }
}

执行结果如下图：

2.1、 await() 方法

当前线程是在已经获取锁的情况下，调用await方法主动释放锁，挂起当前线程，等待某个条件（IO,mq消息等）唤醒，再去竞争获取锁的过程。该方法会将当前线程封装到node节点中，添加到Condition条件队列中，释放锁资源，并挂起当前线程。

具体执行步骤如下：

1、线程封装到node中，并添加到Condition条件队列中，ws =-2 即为Node.CONDITION。

2、释放锁。

3、将自己阻塞挂起，如果线程被唤醒，首先检查自己是被中断唤醒的不。如果是被中断唤醒，跳出while循环；如果是被其他线程signal唤醒，则判断当前线程所在node是否被加入到同步等待队列，已在同步队列中也跳出while循环，否则继续挂起，signal唤醒逻辑会将condition条件队列node 移出，加入到同步队列中，去等待获取锁。

4，线程被唤醒，执行acquireQueued方法，线程会尝试获取锁，若失败则在同步队列中找到安全位置阻塞，成功则从调用await()方法处继续向下执行，返回值表示当前线程是否被中断过。

public final void await() throws InterruptedException {
            if (Thread.interrupted())
                throw new InterruptedException();
            Node node = addConditionWaiter();
            int savedState = fullyRelease(node);
            int interruptMode = 0;
            while (!isOnSyncQueue(node)) {
               //挂起当前线程
                LockSupport.park(this);
              // 被唤醒： 1,被其他线程唤醒，2，中断唤醒，
                if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
                    break;
            }
           //1,如果被signal正常唤醒执行acquireQueued,返回false,如果获取到锁就继续执行调用await后面的代码了，未获取到锁就在同步队列中继续挂起等待锁执行了
           //2,如果被中断唤醒的，acquireQueued 返回true
            if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
               //线程在被signal后，再被中断的
                interruptMode = REINTERRUPT;
         //  后面代码处理的是被中断唤醒的情况
            if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
              //如果nextWaiter!=null,则表示还在条件队列中，清理一下所有被取消node
              //什么情况下会进入该if判断中，如果是正常被signal的，会将该node从条件队列移出加入到同步队列中的， nextWaiter 一定为null,那就是被异常中断情况，
                unlinkCancelledWaiters();
            if (interruptMode != 0)
               //响应中断模式
                reportInterruptAfterWait(interruptMode);
        }

第1步，执行addConditionWaiter方法，主要逻辑是将线程封装为Node,并添加到条件队列中

        private Node addConditionWaiter() {
          //1.获取队列中最后一个节点
            Node t = lastWaiter;
            //2.如果最后一个节点被取消，清除出队
            if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
                unlinkCancelledWaiters();
                t = lastWaiter;
            }
            //3. t 指向最新有效的节点，也可能条件队列为空，t==null
            Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
            if (t == null)
                firstWaiter = node;
            else
                t.nextWaiter = node;
            lastWaiter = node;
            return node;
        }

第2步，完全释放锁 fullyRelease，将同步状态state 设置为初始值0，这里考虑到有多次重入获取锁情况，state >1，这时需完全释放锁。

  final int fullyRelease(Node node) {
        boolean failed = true;
        try {
            int savedState = getState();
            //1,释放锁
            if (release(savedState)) {
                failed = false;
                return savedState;
            } else {
                throw new IllegalMonitorStateException();
            }
        } finally {
            if (failed)
            //2,释放锁失败，将条件队列中的节点标记为取消
                node.waitStatus = Node.CANCELLED;
        }
    }

isOnSyncQueue 判断node是否在同步队列中

 final boolean isOnSyncQueue(Node node) {
       //1,这2种情况肯定没有在同步队列中
        if (node.waitStatus == Node.CONDITION || node.prev == null)
            return false;
        if (node.next != null) // If has successor, it must be on queue
            return true;
       //3.从同步队列尾节点开始对比，看是否在同步队列中
        return findNodeFromTail(node);
    }

findNodeFromTail 从后向前寻找

  private boolean findNodeFromTail(Node node) {
        Node t = tail;
        for (;;) {
            if (t == node)
                return true;
            if (t == null)
                return false;
            t = t.prev;
        }
    }

在线程被唤醒后，检查挂起期间是否被中断

private int checkInterruptWhileWaiting(Node node) {
    return Thread.interrupted() ?
        (transferAfterCancelledWait(node) ? THROW_IE : REINTERRUPT) :
        0;
}

如果线程被中断了，那就需要将在条件队列中等待的该节点执行 transferAfterCancelledWait

 final boolean transferAfterCancelledWait(Node node) {
       // 判断是否是被signal通知唤醒的,会更新为0，更新成功，执行入队操作（加入同步队列）
        if (compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0)) {
            enq(node);
            return true;
        }
        while (!isOnSyncQueue(node))
          //未在同步队列中，让出处理器，线程回到就绪态，等待下一次分配cpu调度
            Thread.yield();
        return false;
    }

最后根据不同的中断值做出相应处理

private void reportInterruptAfterWait(int interruptMode)
    throws InterruptedException {
    if (interruptMode == THROW_IE)
        //1,直接抛出中断异常
        throw new InterruptedException();
    else if (interruptMode == REINTERRUPT)
        //2,中断标志
        selfInterrupt();
}

2.2、signal方法

就是将条件队列中的node移出，加入到同步队列等待获取锁的过程。

流程图如下：

  public final void signal() {
            if (!isHeldExclusively())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            Node first = firstWaiter;
            if (first != null)
                doSignal(first);
        }

   private void doSignal(Node first) {
            do {
                if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
                    lastWaiter = null;
              // 1、将first节点执行出队操作
                first.nextWaiter = null;
            } while (!transferForSignal(first) &&
                     (first = firstWaiter) != null);
             //2,如果条件队列中有ws =-2的节点，肯定会移出一个到同步队列中
        }

final boolean transferForSignal(Node node) {
       //1,将node ws更新为0 ,如果node 状态不等于CONDITION，一定是被取消了
        if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
            return false;
       //2,加入到同步队列中，返回的p是node的pre
        Node p = enq(node);
        int ws = p.waitStatus;
       //3,如果前置节点被取消，或者更新p的 ws =-1 失败，直接唤醒线程，否则等待前置节点唤醒自己
        if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
           //唤醒线程
            LockSupport.unpark(node.thread);
        return true;
    }

3、总结

1、Condition提供的阻塞通知机制与Object类两者对比：

• 方法不同，Condition提供方法有 await(), signal(),signalAll(), Object类提供的是wait(),notify() , notifyAll()
• 配合使用对象不同，Condition条件需要和Lock配合使用，Object类需和Synchronized关键字配合。
• 多条件， Condition可实现多个条件，即创建多个Condition对象，可以每个Condition对象对应一种条件，从而有选择的实现唤醒通知，Object类的要唤醒一个阻塞线程，只能在一个条件队列中，唤醒是随机的，没有Condition使用灵活。

2、注意区别Condition条件队列与同步队列两者的区别，2个队列中线程等待条件不同