Java并发之Condition

Posted 2020-11-05 数月亮

在使用Lock之前，我们使用的最多的同步方式应该是synchronized关键字来实现同步方式了。配合Object的wait()、notify()系列方法可以实现等待/通知模式。Condition接口也提供了类似Object的监视器方法，与Lock配合可以实现等待/通知模式，但是这两者在使用方式以及功能特性上还是有差别的。Object和Condition接口的一些对比。摘自《Java并发编程的艺术》

一、Condition接口介绍和示例

        首先我们需要明白condition对象是依赖于lock对象的，意思就是说condition对象需要通过lock对象进行创建出来(调用Lock对象的newCondition()方法)。consition的使用方式非常的简单。但是需要注意在调用方法前获取锁。

  1 package com.ydl.test.juc;
  2 
  3 import java.util.concurrent.ExecutorService;
  4 import java.util.concurrent.Executors;
  5 import java.util.concurrent.locks.Condition;
  6 import java.util.concurrent.locks.Lock;
  7 import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
  8 
  9 public class ConditionUseCase {
 10 
 11     public Lock lock = new ReentrantLock();
 12     public Condition condition = lock.newCondition();
 13 
 14     public static void main(String[] args)  {
 15         ConditionUseCase useCase = new ConditionUseCase();
 16         ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool (2);
 17         executorService.execute(new Runnable() {
 18             @Override
 19             public void run() {
 20                 useCase.conditionWait();
 21             }
 22         });
 23         executorService.execute(new Runnable() {
 24             @Override
 25             public void run() {
 26                 useCase.conditionSignal();
 27             }
 28         });
 29     }
 30 
 31     public void conditionWait()  {
 32         lock.lock();
 33         try {
 34             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿到锁了");
 35             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "等待信号");
 36             condition.await();
 37             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿到信号");
 38         }catch (Exception e){
 39 
 40         }finally {
 41             lock.unlock();
 42         }
 43     }
 44     public void conditionSignal() {
 45         lock.lock();
 46         try {
 47             Thread.sleep(5000);
 48             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿到锁了");
 49             condition.signal();
 50             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "发出信号");
 51         }catch (Exception e){
 52 
 53         }finally {
 54             lock.unlock();
 55         }
 56     }
 57 
 58 }
 59 
 60 

  1 pool-1-thread-1拿到锁了
  2 pool-1-thread-1等待信号
  3 pool-1-thread-2拿到锁了
  4 pool-1-thread-2发出信号
  5 pool-1-thread-1拿到信号

如示例所示，一般都会将Condition对象作为成员变量。当调用await()方法后，当前线程会释放锁并在此等待，而其他线程调用Condition对象的signal()方法，通知当前线程后，当前线程才从await()方法返回，并且在返回前已经获取了锁。

二、Condition接口常用方法

        condition可以通俗的理解为条件队列。当一个线程在调用了await方法以后，直到线程等待的某个条件为真的时候才会被唤醒。这种方式为线程提供了更加简单的等待/通知模式。Condition必须要配合锁一起使用，因为对共享状态变量的访问发生在多线程环境下。一个Condition的实例必须与一个Lock绑定，因此Condition一般都是作为Lock的内部实现。

1. await() ：造成当前线程在接到信号或被中断之前一直处于等待状态。

2. await(long time, TimeUnit unit) ：造成当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态。

3. awaitNanos(long nanosTimeout) ：造成当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态。返回值表示剩余时间，如果在nanosTimesout之前唤醒，那么返回值 = nanosTimeout - 消耗时间，如果返回值 <= 0 ,则可以认定它已经超时了。

4. awaitUninterruptibly() ：造成当前线程在接到信号之前一直处于等待状态。【注意：该方法对中断不敏感】。

5. awaitUntil(Date deadline) ：造成当前线程在接到信号、被中断或到达指定最后期限之前一直处于等待状态。如果没有到指定时间就被通知，则返回true，否则表示到了指定时间，返回返回false。

6. signal() ：唤醒一个等待线程。该线程从等待方法返回前必须获得与Condition相关的锁。

7. signal()All ：唤醒所有等待线程。能够从等待方法返回的线程必须获得与Condition相关的锁。

三、Condition接口原理简单解析

        Condition是AQS的内部类。每个Condition对象都包含一个队列(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，该线程就是在Condition对象上等待的线程，如果一个线程调用了Condition.await()方法，那么该线程将会释放锁、构造成节点加入等待队列并进入等待状态。等待队列的基本结构如下所示。

等待分为首节点和尾节点。当一个线程调用Condition.await()方法，将会以当前线程构造节点，并将节点从尾部加入等待队列。新增节点就是将尾部节点指向新增的节点。节点引用更新本来就是在获取锁以后的操作，所以不需要CAS保证。同时也是线程安全的操作。

        3.2、等待

当线程调用了await方法以后。线程就作为队列中的一个节点被加入到等待队列中去了。同时会释放锁的拥有。当从await方法返回的时候。一定会获取condition相关联的锁。当等待队列中的节点被唤醒的时候，则唤醒节点的线程开始尝试获取同步状态。如果不是通过 其他线程调用Condition.signal()方法唤醒，而是对等待线程进行中断，则会抛出InterruptedException异常信息。

      3.3、通知

调用Condition的signal()方法，将会唤醒在等待队列中等待最长时间的节点（条件队列里的首节点），在唤醒节点前，会将节点移到同步队列中。当前线程加入到等待队列中如图所示：

在调用signal()方法之前必须先判断是否获取到了锁。接着获取等待队列的首节点，将其移动到同步队列并且利用LockSupport唤醒节点中的线程。节点从等待队列移动到同步队列如下图所示：

被唤醒的线程将从await方法中的while循环中退出。随后加入到同步状态的竞争当中去。成功获取到竞争的线程则会返回到await方法之前的状态。

        四、总结

调用await方法后，将当前线程加入Condition等待队列中。当前线程释放锁。否则别的线程就无法拿到锁而发生死锁。自旋(while)挂起，不断检测节点是否在同步队列中了，如果是则尝试获取锁，否则挂起。当线程被signal方法唤醒，被唤醒的线程将从await()方法中的while循环中退出来，然后调用acquireQueued()方法竞争同步状态。

      五、利用Condition实现生产者消费者模式

  1 
  2 import java.util.LinkedList;
  3 import java.util.concurrent.locks.Condition;
  4 import java.util.concurrent.locks.Lock;
  5 import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
  6 
  7 public class BoundedQueue {
  8 
  9     private LinkedList<Object> buffer;    //生产者容器
 10     private int maxSize ;           //容器最大值是多少
 11     private Lock lock;
 12     private Condition fullCondition;
 13     private Condition notFullCondition;
 14     BoundedQueue(int maxSize){
 15         this.maxSize = maxSize;
 16         buffer = new LinkedList<Object>();
 17         lock = new ReentrantLock();
 18         fullCondition = lock.newCondition();
 19         notFullCondition = lock.newCondition();
 20     }
 21 
 22     /**
 23      * 生产者
 24      * @param obj
 25      * @throws InterruptedException
 26      */
 27     public void put(Object obj) throws InterruptedException {
 28         lock.lock();    //获取锁
 29         try {
 30             while (maxSize == buffer.size()){
 31                 notFullCondition.await();       //满了，添加的线程进入等待状态
 32             }
 33             buffer.add(obj);
 34             fullCondition.signal(); //通知
 35         } finally {
 36             lock.unlock();
 37         }
 38     }
 39 
 40     /**
 41      * 消费者
 42      * @return
 43      * @throws InterruptedException
 44      */
 45     public Object get() throws InterruptedException {
 46         Object obj;
 47         lock.lock();
 48         try {
 49             while (buffer.size() == 0){ //队列中没有数据了 线程进入等待状态
 50                 fullCondition.await();
 51             }
 52             obj = buffer.poll();
 53             notFullCondition.signal(); //通知
 54         } finally {
 55             lock.unlock();
 56         }
 57         return obj;
 58     }
 59 
 60 }
 61 

参考：

Java并发编程的艺术

Java并发编程网