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概述

對(duì)于Java來說萬物皆對(duì)象，所有的Java對(duì)象的最終父類都是Object，所以它們都擁有一組監(jiān)視器方法，主要包括：wait(),wait(long timeout),notify()和notifyAll()，這些方法與Synchronized關(guān)鍵字配合，可以實(shí)現(xiàn)等待/通知機(jī)制。
Condition也提供了類似Object的監(jiān)控方法，與Lock接口配合能夠?qū)崿F(xiàn)等待/通知機(jī)制，但是這兩者在使用方式和功能特性上有一定的區(qū)別。下面是一個(gè)Object的監(jiān)視器方法與Condition接口的對(duì)比：

對(duì)比項(xiàng)	Object監(jiān)視器方法	Condition接口
前置條件	獲取對(duì)象鎖	1.調(diào)用Lock.lock()方法 2.調(diào)用Lock.newCondition()方法獲取Condition對(duì)象
調(diào)用方式	直接調(diào)用。例如Object.wait()	直接調(diào)用。例如condition.await()方法
等待隊(duì)列個(gè)數(shù)	一個(gè)	多個(gè)
當(dāng)前線程釋放鎖，進(jìn)入等待狀態(tài)	支持	支持
當(dāng)前線程釋放鎖，進(jìn)入等待狀態(tài)，在等待狀態(tài)中不響應(yīng)中斷	不支持	支持
當(dāng)前線程釋放鎖，并進(jìn)入超時(shí)等待狀態(tài)	支持	支持
當(dāng)前線程釋放鎖，進(jìn)入等待狀態(tài)到某個(gè)時(shí)間	不支持	支持
喚醒等待隊(duì)列中的一個(gè)線程	支持	支持
喚醒等待隊(duì)列中的所有線程	支持	支持

Condition的使用方式

Condition接口中定義了等待、通知兩種類型的方法，具體如下圖：

Condition等待、通知方法.png

我們知道Condition是由Lock.newCondition()創(chuàng)建來的，也就是說condition是依賴于Lock對(duì)象的。在調(diào)用上圖的方法時(shí)，必須先獲取到Condition對(duì)象關(guān)聯(lián)的鎖。Condition的使用方式如下：

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ConditionTest {

    public static final Lock lock = new ReentrantLock();
    public static final Condition condition = lock.newCondition();

    public static void conditionWait() throws InterruptedException{
        lock.lock();
        try {
            System.out.println(System.currentTimeMillis() + "  :" +Thread.currentThread().getName()+" 調(diào)用await!");
            condition.await();
            System.out.println(System.currentTimeMillis() + "  :" +Thread.currentThread().getName()+" 被喚醒，重新獲得了鎖！");
        } finally {
            lock.unlock();
            System.out.println(System.currentTimeMillis() + "  :" + Thread.currentThread().getName()+" 釋放了鎖！");
        }
    }

    public static void conditionSignal() throws InterruptedException{
        lock.lock();
        try {
            System.out.println(System.currentTimeMillis() + "  :" +Thread.currentThread().getName()+" 調(diào)用signal方法!");
            condition.signal();
            System.out.println(System.currentTimeMillis() + "  :" +Thread.currentThread().getName()+" 調(diào)用了signal方法！");
        } finally {
            lock.unlock();
            System.out.println(System.currentTimeMillis() + "  :" +Thread.currentThread().getName()+" 釋放了鎖！");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    System.out.println(System.currentTimeMillis() + "  :" +Thread.currentThread().getName()+" 開始執(zhí)行！");
                    conditionWait();
                    System.out.println(System.currentTimeMillis() + "  :" +Thread.currentThread().getName()+" 結(jié)束執(zhí)行！");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    System.out.println(System.currentTimeMillis() + "  :" +Thread.currentThread().getName()+" 開始執(zhí)行！");
                    conditionSignal();
                    System.out.println(System.currentTimeMillis() + "  :" +Thread.currentThread().getName()+" 結(jié)束執(zhí)行！");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();
    }


}

一般都會(huì)將Condition對(duì)象作為成員變量。當(dāng)調(diào)用await()方法后，當(dāng)前線程會(huì)釋放鎖進(jìn)入等待狀態(tài)，而其他線程在獲取鎖，進(jìn)行自己的業(yè)務(wù)邏輯后調(diào)用了Condition對(duì)象的Signal()方法，通知當(dāng)前線程后，當(dāng)前線程才從await()方法返回，并在返回前已經(jīng)獲取了鎖。
關(guān)于Condition方法的描述如下：

void await() 當(dāng)前線程進(jìn)入等待狀態(tài)，直到被通知（signal/signalAll）或中斷（其他線程調(diào)用interrupt()方法），當(dāng)前線程將進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)且從await()方法返回，此時(shí)當(dāng)前線程已經(jīng)獲取到了對(duì)應(yīng)鎖。
void awaitUninterruptibly() 當(dāng)前線程進(jìn)入等待狀態(tài)，直到被通知，但是該方法不響應(yīng)中斷
long awaitNanos(long nanosTimeout) 當(dāng)前線程進(jìn)入等待狀態(tài)，直到被通知、中斷或者超時(shí)。返回值表示剩余時(shí)間，如果在nanosTimeout納秒之前被喚醒，那么返回值為（nanosTimeout - 實(shí)際耗時(shí)）。返回值為0或負(fù)值，則表示已經(jīng)超時(shí)了。
boolean awaitUntil(Date deadline) 當(dāng)前線程進(jìn)入等待狀態(tài)，直到被通知、中斷或者某個(gè)時(shí)間。如果沒有到達(dá)指定時(shí)間就被通知，則返回true;否則返回false。
void signal() 喚醒一個(gè)等待在Condition上的線程，該線程從等待方法返回前必須獲得與Condition相關(guān)的鎖；
void signalAll() 喚醒所有等待在Condition上的線程，能夠從等待方法返回的線程必須獲得與Condition相關(guān)聯(lián)的鎖；

Condition實(shí)現(xiàn)分析

上面我們說到Condition是由Lock.newCondition()方法創(chuàng)建出來的，而查看ReentrantLock中的源碼，可以看到，newCondition()方法實(shí)際上會(huì)new一個(gè)ConditionObject對(duì)象。具體如下：

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

ConditionObject對(duì)象是AQS的一個(gè)內(nèi)部類，之前說到Condition是依賴于Lock來使用的，那么ConditionObject是AQS的內(nèi)部類也順理成章了。每一個(gè)Condition對(duì)象都維護(hù)者一個(gè)隊(duì)列，即等待隊(duì)列，該隊(duì)列是Condition實(shí)現(xiàn)等待/通知機(jī)制的關(guān)鍵。等待隊(duì)列是一個(gè)FIFO的隊(duì)列，在等待隊(duì)列的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都包含了一個(gè)線程引用，如果一個(gè)線程調(diào)用condition.await()方法，那么該線程將會(huì)釋放鎖、構(gòu)造成節(jié)點(diǎn)加入到等待隊(duì)列并進(jìn)入等待狀態(tài)。這里說到的節(jié)點(diǎn)Node其實(shí)與之前AQS中提到的Node是同一個(gè)內(nèi)部類AbstractQueuedSynchronizer.Node。
這里我們還需注意ConditionObject中包含兩個(gè)成員變量：

/** First node of condition queue. */
private transient Node firstWaiter;
/** Last node of condition queue. */
private transient Node lastWaiter;

分別表示Condition的頭尾指針，還有Node中還有一個(gè)屬性是需要大家注意的Node nextWaiter，nextWaiter表示等待隊(duì)列中的后繼節(jié)點(diǎn)，而Node中關(guān)于同步隊(duì)列的相關(guān)屬性卻有兩個(gè)：prev和next。那么由此我們可以判斷等待隊(duì)列是一個(gè)單向隊(duì)列，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只保存其后一個(gè)節(jié)點(diǎn)的引用。而等待隊(duì)列的基本結(jié)構(gòu)則如下圖：

Condition等待隊(duì)列結(jié)構(gòu).png

如上圖所示，Condition擁有首節(jié)點(diǎn)的引用，而新增節(jié)點(diǎn)只需要將原尾節(jié)點(diǎn)的nextWaiter指向它，并更新尾節(jié)點(diǎn)即可。需要注意的是節(jié)點(diǎn)更新的過程是沒有使用CAS方法的，原因是調(diào)用await 方法的線程必定獲取了鎖。我們可以不止一次的調(diào)用lock.newCondition方法，這說明AQS中不止維護(hù)了一個(gè)等待隊(duì)列。object監(jiān)視器上只能擁有一個(gè)同步隊(duì)列和一個(gè)等待隊(duì)列，而AQS卻擁有一個(gè)同步隊(duì)列，多個(gè)等待隊(duì)列。具體如下圖：

AQS一個(gè)同步隊(duì)列多個(gè)等待隊(duì)列.png

如上圖所示，Condition的實(shí)現(xiàn)是同步器的內(nèi)部類，因此每個(gè)Condition實(shí)例都能夠訪問同步器提供的方法，相當(dāng)于每個(gè)Condition都擁有同步器的引用。

condition.await()方法

廢話不多說，直接擼源碼：

public final void await() throws InterruptedException {
    //如果線程被中斷，那么拋出中斷異常
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    //將線程構(gòu)建成Node節(jié)點(diǎn)，并加入等待隊(duì)列
    Node node = addConditionWaiter();
    //釋放當(dāng)前線程所占用的鎖，并喚醒同步隊(duì)列中的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)
    int savedState = fullyRelease(node);
    int interruptMode = 0;
    while (!isOnSyncQueue(node)) {
        //當(dāng)前線程進(jìn)入等待狀態(tài)
        LockSupport.park(this);
        //判斷是否被中斷
        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
            break;
    }
    //自旋等待獲取同步狀態(tài)
    if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
        interruptMode = REINTERRUPT;
    if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
        unlinkCancelledWaiters();
    //處理被中斷狀態(tài)
    if (interruptMode != 0)
        reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}

當(dāng)前線程調(diào)用condition.await()方法后，會(huì)使得當(dāng)前線程釋放鎖并進(jìn)入等待隊(duì)列中，直到被signal/signalAll方法喚醒后會(huì)使當(dāng)前線程從等待隊(duì)列移至同步隊(duì)列中去，知道獲取鎖后返回，或者在等待過程中被中斷做中斷處理。那么這中間的細(xì)節(jié)是如何處理的呢？當(dāng)前線程是如何加入等待隊(duì)列中的？又是怎么釋放鎖的呢？釋放之后await方法如何退出呢？這些我們都還不清楚，下面我們來仔細(xì)分析下源碼中調(diào)用的幾個(gè)方法。

private Node addConditionWaiter() {
    //獲取尾節(jié)點(diǎn)指針
    Node t = lastWaiter;
    // If lastWaiter is cancelled, clean out.
    //如果尾節(jié)點(diǎn)不為null，并且尾節(jié)點(diǎn)等待狀態(tài)不是CONDITION，那么刪除等待隊(duì)列中所有非CONDITION狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)
    if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
        unlinkCancelledWaiters();
        //重新獲取尾節(jié)點(diǎn)
        t = lastWaiter;
    }
    //將當(dāng)前線程構(gòu)建成節(jié)點(diǎn)
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
    //如果尾節(jié)點(diǎn)為空，則將頭結(jié)點(diǎn)指針指向當(dāng)前節(jié)點(diǎn)，否則將尾節(jié)點(diǎn)的后繼節(jié)點(diǎn)指向當(dāng)前節(jié)點(diǎn)
    if (t == null)
        firstWaiter = node;
    else
        t.nextWaiter = node;
    //然后將尾節(jié)點(diǎn)指針指向當(dāng)前節(jié)點(diǎn)
    lastWaiter = node;
    return node;
}

從上面這段代碼可以看到，該方法將當(dāng)前線程構(gòu)建成節(jié)點(diǎn)，判斷頭結(jié)點(diǎn)firstWaiter是否為空，如果為空，則將firstWaiter指向當(dāng)前節(jié)點(diǎn)，如果不為空，則更新尾節(jié)點(diǎn)。這就解決了如何加入等待隊(duì)列的問題，下面由fullRelease方法來釋放鎖，具體源碼如下；

final int fullyRelease(Node node) {
    boolean failed = true;
    try {
        int savedState = getState();
        //嘗試釋放鎖，并喚醒同步隊(duì)列中的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)
        if (release(savedState)) {
            //成功則返回同步狀態(tài)
            failed = false;
            return savedState;
        } else {    
            //不成功拋出異常
            throw new IllegalMonitorStateException();
        }
    } finally {
        if (failed)
            node.waitStatus = Node.CANCELLED;
    }
}

這段代碼就很容易理解了，調(diào)用AQS中的release()方法釋放鎖，并喚醒同步隊(duì)列中頭結(jié)點(diǎn)的后繼節(jié)點(diǎn)引用的線程，如果釋放成功則正常返回，釋放失敗則拋出異常。然后在回到await()方法的源碼中，發(fā)現(xiàn)以上方法調(diào)用完后有這么一段邏輯：


while (!isOnSyncQueue(node)) {
    LockSupport.park(this);
    if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
        break;
}


final boolean isOnSyncQueue(Node node) {
    //如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)為等待狀態(tài)，或前置節(jié)點(diǎn)為空，那么返回false
    if (node.waitStatus == Node.CONDITION || node.prev == null)
        return false;
    //如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的后繼節(jié)點(diǎn)next不為空，這說明在同步隊(duì)列中，返回true
    if (node.next != null) // If has successor, it must be on queue
        return true;
    /*
     * node.prev can be non-null, but not yet on queue because
     * the CAS to place it on queue can fail. So we have to
     * traverse from tail to make sure it actually made it.  It
     * will always be near the tail in calls to this method, and
     * unless the CAS failed (which is unlikely), it will be
     * there, so we hardly ever traverse much.
     */
    //再同步隊(duì)列中尋找當(dāng)前節(jié)點(diǎn)，找到返回true，未找到返回false
    return findNodeFromTail(node);
}

很顯然要想退出await方法，需要先跳出該循環(huán)。而從代碼中可以看出跳出循環(huán)的方法兩種：1、!isOnSyncQueue(node)返回false；2、(interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0等于true。從上面的源碼可以看出isOnSyncQueue(node)方法,用來判斷當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是否在同步隊(duì)列中，即另外線程調(diào)用signal/signalAll方法。第二個(gè)條件判斷當(dāng)前線程是否被中斷。
總結(jié)為：退出await方法的前提條件是當(dāng)前線程被中斷或其他線程調(diào)用signal/signalAll方法將當(dāng)前線程移動(dòng)到同步隊(duì)列中。當(dāng)跳出while循環(huán)后，會(huì)繼續(xù)調(diào)用acquireQueued(node, savedState)方法，自旋獲取同步狀態(tài)，直到成功，這樣說明了要跳出await方法必須要獲得鎖。到這里我們已經(jīng)解決了上面提出的疑問，對(duì)await方法也理解的更加透徹了。下面是await方法的示意圖:

condition.await()示意圖.png

signal/signalAll

調(diào)用Condition的signal()和signalAll()方法，將會(huì)喚醒等待隊(duì)列中等待時(shí)間最長(zhǎng)的節(jié)點(diǎn)（即首節(jié)點(diǎn)），在喚醒節(jié)點(diǎn)之前，會(huì)將節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到同步隊(duì)列中。下面先看下Signal()方法的源碼：

public final void signal() {
    //先判斷當(dāng)前線程是否獲取到了鎖，沒有的話，拋出異常
    if (!isHeldExclusively())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    Node first = firstWaiter;
    if (first != null)
        //喚醒等待隊(duì)列中的頭結(jié)點(diǎn)
        doSignal(first);
}

從上面代碼可以看出，首先會(huì)判斷當(dāng)前線程是否獲取到了鎖，如果沒有獲取到，則會(huì)拋出異常。如果獲取到了鎖，那么先拿到等待隊(duì)列的頭指針引用的節(jié)點(diǎn)，之后喚醒等待隊(duì)列中的頭結(jié)點(diǎn)，具體細(xì)節(jié)在doSignal(first)方法中，具體看下源碼；

private void doSignal(Node first) {
    do {
        if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
            lastWaiter = null;
        //將頭結(jié)點(diǎn)從等待隊(duì)列中移除
        first.nextWaiter = null;
        //對(duì)頭結(jié)點(diǎn)做處理的部分在transferForSignal(first)中
    } while (!transferForSignal(first) &&
             (first = firstWaiter) != null);
}

    final boolean transferForSignal(Node node) {
        使用CAS將等待狀態(tài)改為0，如果失敗返回false
        if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
            return false;

        //將節(jié)點(diǎn)移入同步隊(duì)列
        Node p = enq(node);
        int ws = p.waitStatus;
        //如果該節(jié)點(diǎn)等待狀態(tài)>0或者嘗試修改等待狀態(tài)為SIGNAL失敗，則喚醒該節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的線程，返回true
        if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
            LockSupport.unpark(node.thread);
        return true;
    }

閱讀源碼，能夠發(fā)現(xiàn)，doSignal主要做了一下幾件事：1、將頭結(jié)點(diǎn)從等待隊(duì)列移除；2、將頭結(jié)點(diǎn)狀態(tài)由CONDITION改為0，即初始狀態(tài)；3、將節(jié)點(diǎn)從同步隊(duì)列尾部插入；4、喚醒該節(jié)點(diǎn)。由此我們可以得出結(jié)論：調(diào)用Condition.signal()方法的前提是當(dāng)前線程已經(jīng)獲取到了鎖，該方法會(huì)將等待隊(duì)列中的頭結(jié)點(diǎn)移除并從同步隊(duì)列的尾節(jié)點(diǎn)插入，并喚醒當(dāng)前節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的線程。

condition.signal()方法示意圖.png

signalAll()

signalAll()方法與signal()方法的區(qū)別僅僅體現(xiàn)在doSignal和doSignalAll方法上，我們看下doSignalAll方法的源碼：

private void doSignalAll(Node first) {
    lastWaiter = firstWaiter = null;
    do {
        Node next = first.nextWaiter;
        first.nextWaiter = null;
        transferForSignal(first);
        first = next;
    } while (first != null);
}

可以看到這里的區(qū)別就是，doSignalAll會(huì)將等待隊(duì)列中的所有節(jié)點(diǎn)都移動(dòng)到同步隊(duì)列中，并喚醒全部對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的線程。

總結(jié)

下面是我自己總結(jié)的關(guān)于condition.await方法和signal方法的運(yùn)行流程圖：

condition.await流程圖.png

condition.signal流程圖.png

如果有什么問題的話，歡迎大家留言指正，謝謝！

注：本文參考《Java并發(fā)編程的藝術(shù)》

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【Java并發(fā)編程】Condition源碼解析

【Java并發(fā)編程】Condition源碼解析

概述

Condition的使用方式

Condition實(shí)現(xiàn)分析

condition.await()方法

signal/signalAll

signalAll()

總結(jié)

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【Java并發(fā)編程】Condition源碼解析

概述

Condition的使用方式

Condition實(shí)現(xiàn)分析

condition.await()方法

signal/signalAll

signalAll()

總結(jié)

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