圖解ReentrantLock的條件變量Condition機(jī)制

作者：JAVA旭陽 2023-01-01 13:45:37

想必大家都使用過wait()和notify()這兩個方法吧，這兩個方法主要用于多線程間的協(xié)同處理，即控制線程之間的等待、通知、切換及喚醒。而RenentrantLock也支持這樣條件變量的能力，而且相對于synchronized 更加強(qiáng)大，能夠支持多個條件變量。

概述

ReentrantLock條件變量使用

ReentrantLock類API

Condition newCondition(): 創(chuàng)建條件變量對象

Condition類API

void await(): 當(dāng)前線程從運行狀態(tài)進(jìn)入等待狀態(tài)，同時釋放鎖，該方法可以被中斷
void awaitUninterruptibly()：當(dāng)前線程從運行狀態(tài)進(jìn)入等待狀態(tài)，該方法不能夠被中斷
void signal(): 喚醒一個等待在 Condition 條件隊列上的線程
void signalAll(): 喚醒阻塞在條件隊列上的所有線程

@Test
public void testCondition() throws InterruptedException {
    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    //創(chuàng)建新的條件變量
    Condition condition = lock.newCondition();
    Thread thread0 = new Thread(() -> {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println("線程0獲取鎖");
            // sleep不會釋放鎖
            Thread.sleep(500);
            //進(jìn)入休息室等待
            System.out.println("線程0釋放鎖，進(jìn)入等待");
            condition.await();
            System.out.println("線程0被喚醒了");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    });
    thread0.start();
    //叫醒
    Thread thread1 = new Thread(() -> {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println("線程1獲取鎖");
            //喚醒
            condition.signal();
            System.out.println("線程1喚醒線程0");
        } finally {
            lock.unlock();
            System.out.println("線程1釋放鎖");
        }
    });
    thread1.start();

    thread0.join();
    thread1.join();
}

運行結(jié)果：

condition的wait和notify必須在lock范圍內(nèi)
實現(xiàn)條件變量的等待和喚醒，他們必須是同一個condition。
線程1執(zhí)行conidtion.notify()后，并沒有釋放鎖，需要等釋放鎖后，線程0重新獲取鎖成功后，才能繼續(xù)向下執(zhí)行。

圖解實現(xiàn)原理

await過程

線程0（Thread-0）一開始獲取鎖，exclusiveOwnerThread字段是Thread-0, 如下圖中的深藍(lán)色節(jié)點

Thread-0調(diào)用await方法，Thread-0封裝成Node進(jìn)入ConditionObject的隊列，因為此時只有一個節(jié)點，所有firstWaiter和lastWaiter都指向Thread-0，會釋放鎖資源，NofairSync中的state會變成0，同時exclusiveOwnerThread設(shè)置為null。如下圖所示。

線程1（Thread-1）被喚醒，重新獲取鎖，如下圖的深藍(lán)色節(jié)點所示。

Thread-0被park阻塞，如下圖灰色節(jié)點所示：

源碼如下：

下面是await()方法的整體流程，其中LockSupport.park(this)進(jìn)行阻塞當(dāng)前線程，后續(xù)喚醒，也會在這個程序點恢復(fù)執(zhí)行。

public final void await() throws InterruptedException {
     // 判斷當(dāng)前線程是否是中斷狀態(tài)，是就直接給個中斷異常
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    // 將調(diào)用 await 的線程包裝成 Node，添加到條件隊列并返回
    Node node = addConditionWaiter();
    // 完全釋放節(jié)點持有的鎖，因為其他線程喚醒當(dāng)前線程的前提是【持有鎖】
    int savedState = fullyRelease(node);
    
    // 設(shè)置打斷模式為沒有被打斷，狀態(tài)碼為 0
    int interruptMode = 0;
    
    // 如果該節(jié)點還沒有轉(zhuǎn)移至 AQS 阻塞隊列, park 阻塞，等待進(jìn)入阻塞隊列
    while (!isOnSyncQueue(node)) {
        // 阻塞當(dāng)前線程，待會
        LockSupport.park(this);
        // 如果被打斷，退出等待隊列，對應(yīng)的 node 【也會被遷移到阻塞隊列】尾部，狀態(tài)設(shè)置為 0
        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
            break;
    }
    // 邏輯到這說明當(dāng)前線程退出等待隊列，進(jìn)入【阻塞隊列】
    
    // 嘗試槍鎖，釋放了多少鎖就【重新獲取多少鎖】，獲取鎖成功判斷打斷模式
    if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
        interruptMode = REINTERRUPT;
    
    // node 在條件隊列時 如果被外部線程中斷喚醒，會加入到阻塞隊列，但是并未設(shè) nextWaiter = null
    if (node.nextWaiter != null)
        // 清理條件隊列內(nèi)所有已取消的 Node
        unlinkCancelledWaiters();
    // 條件成立說明掛起期間發(fā)生過中斷
    if (interruptMode != 0)
        // 應(yīng)用打斷模式
        reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}

將線程封裝成Node, 加入到ConditionObject隊列尾部，此時節(jié)點的等待狀態(tài)時-2。

private Node addConditionWaiter() {
    // 獲取當(dāng)前條件隊列的尾節(jié)點的引用，保存到局部變量 t 中
    Node t = lastWaiter;
    // 當(dāng)前隊列中不是空，并且節(jié)點的狀態(tài)不是 CONDITION（-2），說明當(dāng)前節(jié)點發(fā)生了中斷
    if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
        // 清理條件隊列內(nèi)所有已取消的 Node
        unlinkCancelledWaiters();
        // 清理完成重新獲取 尾節(jié)點 的引用
        t = lastWaiter;
    }
    // 創(chuàng)建一個關(guān)聯(lián)當(dāng)前線程的新 node, 設(shè)置狀態(tài)為 CONDITION(-2)，添加至隊列尾部
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
    if (t == null)
        firstWaiter = node;        // 空隊列直接放在隊首【不用CAS因為執(zhí)行線程是持鎖線程，并發(fā)安全】
    else
        t.nextWaiter = node;    // 非空隊列隊尾追加
    lastWaiter = node;            // 更新隊尾的引用
    return node;
}

清理條件隊列中的cancel類型的節(jié)點，比如中斷、超時等會導(dǎo)致節(jié)點轉(zhuǎn)換為Cancel

// 清理條件隊列內(nèi)所有已取消（不是CONDITION）的 node，【鏈表刪除的邏輯】
private void unlinkCancelledWaiters(){
    // 從頭節(jié)點開始遍歷【FIFO】
    Node t = firstWaiter;
    // 指向正常的 CONDITION 節(jié)點
    Node trail = null;
    // 等待隊列不空
    while (t != null) {
        // 獲取當(dāng)前節(jié)點的后繼節(jié)點
        Node next = t.nextWaiter;
        // 判斷 t 節(jié)點是不是 CONDITION 節(jié)點，條件隊列內(nèi)不是 CONDITION 就不是正常的
        if (t.waitStatus != Node.CONDITION) { 
            // 不是正常節(jié)點，需要 t 與下一個節(jié)點斷開
            t.nextWaiter = null;
            // 條件成立說明遍歷到的節(jié)點還未碰到過正常節(jié)點
            if (trail == null)
                // 更新 firstWaiter 指針為下個節(jié)點
                firstWaiter = next;
            else
                // 讓上一個正常節(jié)點指向 當(dāng)前取消節(jié)點的 下一個節(jié)點，【刪除非正常的節(jié)點】
                trail.nextWaiter = next;
            // t 是尾節(jié)點了，更新 lastWaiter 指向最后一個正常節(jié)點
            if (next == null)
                lastWaiter = trail;
        } else {
            // trail 指向的是正常節(jié)點 
            trail = t;
        }
        // 把 t.next 賦值給 t，循環(huán)遍歷
        t = next; 
    }
}

fullyRelease方法將r讓Thread-0釋放鎖, 這個時候Thread-1就會去競爭鎖

// 線程可能重入，需要將 state 全部釋放
final int fullyRelease(Node node) {
    // 完全釋放鎖是否成功，false 代表成功
    boolean failed = true;
    try {
        // 獲取當(dāng)前線程所持有的 state 值總數(shù)
        int savedState = getState();
        // release -> tryRelease 解鎖重入鎖
        if (release(savedState)) {
            // 釋放成功
            failed = false;
            // 返回解鎖的深度
            return savedState;
        } else {
            // 解鎖失敗拋出異常
            throw new IllegalMonitorStateException();
        }
    } finally {
        // 沒有釋放成功，將當(dāng)前 node 設(shè)置為取消狀態(tài)
        if (failed)
            node.waitStatus = Node.CANCELLED;
    }
}

判斷節(jié)點是否在AQS阻塞對列中，不在條件對列中

final boolean isOnSyncQueue(Node node) {
    // node 的狀態(tài)是 CONDITION，signal 方法是先修改狀態(tài)再遷移，所以前驅(qū)節(jié)點為空證明還【沒有完成遷移】
    if (node.waitStatus == Node.CONDITION || node.prev == null)
        return false;
    // 說明當(dāng)前節(jié)點已經(jīng)成功入隊到阻塞隊列，且當(dāng)前節(jié)點后面已經(jīng)有其它 node，因為條件隊列的 next 指針為 null
    if (node.next != null)
        return true;
    // 說明【可能在阻塞隊列，但是是尾節(jié)點】
    // 從阻塞隊列的尾節(jié)點開始向前【遍歷查找 node】，如果查找到返回 true，查找不到返回 false
    return findNodeFromTail(node);
}

signal過程

Thread-1執(zhí)行signal方法喚醒條件隊列中的第一個節(jié)點，即Thread-0，條件隊列置空

Thread-0的節(jié)點的等待狀態(tài)變更為0，重新加入到AQS隊列尾部。

后續(xù)就是Thread-1釋放鎖，其他線程重新?lián)屾i。

源碼如下：

signal()方法是喚醒的入口方法

public final void signal() {
    // 判斷調(diào)用 signal 方法的線程是否是獨占鎖持有線程
    if (!isHeldExclusively())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    // 獲取條件隊列中第一個 Node
    Node first = firstWaiter;
    // 不為空就將第該節(jié)點【遷移到阻塞隊列】
    if (first != null)
        doSignal(first);
}

調(diào)用doSignal()方法喚醒節(jié)點

// 喚醒 - 【將沒取消的第一個節(jié)點轉(zhuǎn)移至 AQS 隊列尾部】
private void doSignal(Node first){
    do {
        // 成立說明當(dāng)前節(jié)點的下一個節(jié)點是 null，當(dāng)前節(jié)點是尾節(jié)點了，隊列中只有當(dāng)前一個節(jié)點了
        if ((firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
            lastWaiter = null;
        first.nextWaiter = null;
    // 將等待隊列中的 Node 轉(zhuǎn)移至 AQS 隊列，不成功且還有節(jié)點則繼續(xù)循環(huán)
    } while (!transferForSignal(first) && (first = firstWaiter) != null);
}

// signalAll() 會調(diào)用這個函數(shù)，喚醒所有的節(jié)點
private void doSignalAll(Node first){
    lastWaiter = firstWaiter = null;
    do {
        Node next = first.nextWaiter;
        first.nextWaiter = null;
        transferForSignal(first);
        first = next;
    // 喚醒所有的節(jié)點，都放到阻塞隊列中
    } while (first != null);
}

調(diào)用transferForSignal()方法，先將節(jié)點的 waitStatus 改為 0，然后加入 AQS 阻塞隊列尾部，將 Thread-3 的 waitStatus 改為 -1。

// 如果節(jié)點狀態(tài)是取消, 返回 false 表示轉(zhuǎn)移失敗, 否則轉(zhuǎn)移成功
final boolean transferForSignal(Node node) {
    // CAS 修改當(dāng)前節(jié)點的狀態(tài)，修改為 0，因為當(dāng)前節(jié)點馬上要遷移到阻塞隊列了
    // 如果狀態(tài)已經(jīng)不是 CONDITION, 說明線程被取消（await 釋放全部鎖失敗）或者被中斷（可打斷 cancelAcquire）
    if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
        // 返回函數(shù)調(diào)用處繼續(xù)尋找下一個節(jié)點
        return false;
    
    // 【先改狀態(tài)，再進(jìn)行遷移】
    // 將當(dāng)前 node 入阻塞隊列，p 是當(dāng)前節(jié)點在阻塞隊列的【前驅(qū)節(jié)點】
    Node p = enq(node);
    int ws = p.waitStatus;
    
    // 如果前驅(qū)節(jié)點被取消或者不能設(shè)置狀態(tài)為 Node.SIGNAL，就 unpark 取消當(dāng)前節(jié)點線程的阻塞狀態(tài), 
    // 讓 thread-0 線程競爭鎖，重新同步狀態(tài)
    if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
        LockSupport.unpark(node.thread);
    return true;
}

總結(jié)

本文講解了ReentrantLock中條件變量的使用和原理實現(xiàn)，希望對大家有幫助。

責(zé)任編輯：武曉燕來源： JAVA旭陽

Condition 機(jī)制條件