深入浅出Java并发包—锁机制

Posted 2020-06-16

接上文《深入浅出Java并发包—锁机制(二) 》  

由锁衍生的下一个对象是条件变量，这个对象的存在很大程度上是为了解决Object.wait/notify/notifyAll难以使用的问题。

条件（也称为条件队列 或条件变量）为线程提供了一个含义，以便在某个状态条件现在可能为 true 的另一个线程通知它之前，一直挂起该线程（即让其“等待”）。因为访问此共享状态信息发生在不同的线程中，所以它必须受保护，因此要将某种形式的锁与该条件相关联。等待提供一个条件的主要属性是：以原子方式 释放相关的锁，并挂起当前线程，就像 Object.wait 做的那样。

上述API说明表明条件变量需要与锁绑定，而且多个Condition需要绑定到同一锁上。前面的Lock中提到，获取一个条件变量的方法是Lock.newCondition()。

Condition 将 Object 监视器方法（wait、notify 和 notifyAll）分解成截然不同的对象，以便通过将这些对象与任意 Lock 实现组合使用，为每个对象提供多个等待 set（wait-set）。其中，Lock 替代了 synchronized 方法和语句的使用，Condition 替代了 Object 监视器方法的使用。await对应于Object.wait，signal对应于Object.notify，signalAll对应于Object.notifyAll。特别说明的是Condition的接口改变名称就是为了避免与Object中的wait/notify/notifyAll的语义和使用上混淆，因为Condition同样有wait/notify/notifyAll方法。

每一个Lock可以有任意数据的Condition对象，Condition是与Lock绑定的，所以就有Lock的公平性特性：如果是公平锁，线程为按照FIFO的顺序从Condition.await中释放，如果是非公平锁，那么后续的锁竞争就不保证FIFO顺序了。我们通过一个生产者消费者模型来看一下相关的实现！

package com.yhj.lock;
 
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
 * @Described 生产者消费者模型
 * @Author YHJ create at 2013-6-6 下午09:15:27
 */
public class ProductQueue<T> {
 
    private final T[] items; //队列存储区
 
    private final Lock lock = new ReentrantLock(); //独占锁
 
    private Condition notFull = lock.newCondition(); //条件
 
    private Condition notEmpty = lock.newCondition();
 
    private int head, tail, count; //下标
 
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public ProductQueue(int maxSize) {
         items = (T[]) new Object[maxSize];
     }
 
    /**
     * 默认10个元素
     * @Constructors
     * @Author YHJ create at 2013-6-6 下午09:15:21
     */
    public ProductQueue() {
         this(10);
     }
 
    /**
     * 放置数据
     * @param t
     * @throws InterruptedException
     * @Author YHJ create at 2013-6-6 下午09:15:27
     */
    public void put(T t) throws InterruptedException {
         lock.lock();
         try {
             while (count == getCapacity()) {
                 notFull.await();
             }
             items[tail] = t;
             if (++tail == getCapacity()) {
                 tail = 0;
             }
             ++count;
             notEmpty.signalAll();
         } finally {
             lock.unlock();
         }
     }
 
    /**
     * 取数据
     * @return
     * @throws InterruptedException
     * @Author YHJ create at 2013-6-6 下午09:18:36
     */
    public T take() throws InterruptedException {
         lock.lock();
         try {
             while (count == 0) {
                 notEmpty.await();
             }
             T ret = items[head];
             items[head] = null;//GC
             if (++head == getCapacity()) {
                 head = 0;
             }
             --count;
             notFull.signalAll();
             return ret;
         } finally {
             lock.unlock();
         }
     }
 
    /**
     * 获取容量（队列）
     * @return
     * @Author YHJ create at 2013-6-6 下午09:18:45
     */
    public int getCapacity() {
         return items.length;
     }
 
    /**
     * 获取元素数目
     * @return
     * @Author YHJ create at 2013-6-6 下午09:19:04
     */
    public int size() {
         lock.lock();
         try {
             return count;
         } finally {
             lock.unlock();
         }
     }
 
}

在这个例子中消费take()需要 队列不为空，如果为空就挂起（await()），直到收到notEmpty的信号；生产put()需要队列不满，如果满了就挂起（await()），直到收到notFull的信号。可能有人会问:如果一个线程lock()对象后被挂起还没有unlock，那么另外一个线程就拿不到锁了（lock()操作会挂起），那么就无法通知(notify)前一个线程，这样岂不是“死锁”了？

是这样子么？当然不是，如果是这样有这么大的问题，锁性能再好又有什么用呢？我们来看下await方法的代码：

public final void await() throws InterruptedException {
            if (Thread.interrupted())
                throw new InterruptedException();
            Node node = addConditionWaiter();
            long savedState = fullyRelease(node);
            int interruptMode = 0;
            while (!isOnSyncQueue(node)) {
                LockSupport.park(this);
                if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
                    break;
            }
            if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
                interruptMode = REINTERRUPT;
            if (node.nextWaiter != null)
                unlinkCancelledWaiters();
            if (interruptMode != 0)
                reportInterruptAfterWait(interruptMode);
        }
  final boolean isOnSyncQueue(Node node) {
        if (node.waitStatus == Node.CONDITION || node.prev == null)
            return false;
        if (node.next != null) // If has successor, it must be on queue
            return true;
        return findNodeFromTail(node);
    }

很显然，执行await方法的时候，首先将当前节点加入Condition队列，然后会做一次锁的释放（如果不释放其他线程就会等待而无法获取锁，进而更没有办法notify此条件，引发死锁），然后自旋尝试挂起当前线程（LockSupport.park(this);），直到有线程condition的signal来解除（被唤醒继续操作或被取消，如果被取消则直接剔除），如果被唤醒而且没有被取消的话，尝试重新进入锁获取的等待队列（acquireQueued(node, savedState)），尝试成功后从Condition队列中删除（再次拿到了之前的锁对象）！

这里再回头介绍Condition的数据结构。我们知道一个Condition可以在多个地方被await()，那么就需要一个FIFO的结构将这些Condition串联起来，然后根据需要唤醒一个或者多个（通常是所有）。所以在Condition内部就需要一个FIFO的队列。我们再结合前面提到的节点（Node）数据结构。我们就发现Node.nextWaiter就派上用场了！nextWaiter就是将一系列的Condition.await()串联起来组成一个FIFO的队列。所以当某一个节点被唤醒的时候，需要进行一次队列关系重建（unlinkCancelledWaiters()）。

await()清楚了，现在再来看signal/signalAll就容易多了。按照signal/signalAll的需求，就是要将Condition.await()中FIFO队列中第一个Node/全部Node唤醒。尽管所有Node可能都被唤醒，但是要知道的是仍然只有一个线程能够拿到锁，其它没有拿到锁的线程仍然需要自旋等待(acquireQueued)。我们来看下相关的代码实现：

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;
                first.nextWaiter = null;
            } while (!transferForSignal(first) &&
                     (first = firstWaiter) != null);
        }

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

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

上面的代码很容易看出来，signal就是唤醒Condition队列中的第一个非CANCELLED节点线程，而signalAll就是唤醒所有非CANCELLED节点线程。当然了遇到CANCELLED线程就需要将其从FIFO队列中剔除。

final boolean transferForSignal(Node node) {
        /*
         * If cannot change waitStatus, the node has been cancelled.
         */
        if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
            return false;
        /*
         * Splice onto queue and try to set waitStatus of predecessor to
         * indicate that thread is (probably) waiting. If cancelled or
         * attempt to set waitStatus fails, wake up to resync (in which
         * case the waitStatus can be transiently and harmlessly wrong).
         */
        Node p = enq(node);
        int c = p.waitStatus;
        if (c > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, c, Node.SIGNAL))
            LockSupport.unpark(node.thread);
        return true;
    }

上面就是唤醒一个await()线程的过程，根据前面介绍的，如果要unpark线程，并使线程拿到锁，那么就需要线程节点进入AQS的队列。所以可以看到在LockSupport.unpark之前调用了enq(node)操作，将当前节点加入到AQS队列。