Java面試必備之AQS阻塞隊列和條件隊列

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一.AQS入隊規則

我們仔細分析一下AQS是如何維護阻塞隊列的，在獨占方式獲取資源的時候，是怎麼將競爭鎖失敗的線程丟到阻塞隊列中的呢？

我們看看acquire方法，這裡首先會調用子類實現的tryAcquire方法嘗試修改state，修改失敗的話，說明線程競爭鎖失敗，於是會走到後面的這個條件；

這個addWaiter方法就是將當前線程封裝成一個Node.EXCLUSIVE類型的節點，然後丟到阻塞隊列中；

第一次還沒有阻塞隊列的時候，會到enq方法裡面，我們仔細看看enq方法

enq()方法中，我們在第一次進入這個方法的時候，下面圖一所示，tail和head都指向null；

第一次循環，到首先會到圖二，然後判斷t所指向的節點是不是null，如果是的話，就用CAS更新節點，這個CAS我們可以看作：頭節點head為null，我們把head節點更新為一個哨兵節點（哨兵節點就是new Node()），再將tail也指向head，就是圖三瞭

第二次for循環：走到上面的else語句，將新節點的前一個節點設置為哨兵節點；

然後就是CAS更新節點，這裡CAS的意思：如果最後的節點tail指向的和t是一樣的，那麼就將tail指向node節點

最後再將t的下一個節點設置為node，下圖所示，就ok瞭

二.AQS條件變量的使用

什麼是條件變量呢？我們在開始介紹AQS的時候，還有一個內部類沒有說，就是ConditionObject，還記得前面說過的Unsafe中的park和unpark方法嗎？而這個ConditionObject就對這兩個方法進行瞭一次封裝，await()和signal()方法，但是更靈活，可以創建多個條件變量，每個條件變量維護一個條件隊列（就是一個單向鏈表，可以看到Node這個內部類中個屬性是nextWaiter）；

註意：每一個條件變量裡面都維護瞭一個條件隊列

舉個例子，如下所示；

package com.example.demo.study;

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

public class Study0201 {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 創建鎖對象
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        // 創建條件變量
        Condition condition = lock.newCondition();
        // 以下創建兩個線程，裡面都會獲取鎖和釋放鎖
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try {
                System.out.println("await begin");
                // 註意，這裡調用條件變量的await方法，當前線程就會丟到condition條件變量中的條件隊列中阻塞
                condition.await();
                System.out.println("await end");
            } catch (InterruptedException e) {
                //
            } finally {
                lock.unlock();
            }

        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try {
                System.out.println("signal begin");
                // 喚醒被condition變量內部隊列中的某個線程
                condition.signal();
                System.out.println("signal end");
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        });
        thread1.start();
        Thread.sleep(500);
        thread2.start();
    }
}

還可以創建多個條件變量，如下所示，每一個條件變量都維護瞭一個條件隊列：

package com.example.demo.study;

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

public class Study0201 {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 創建鎖對象
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        // 創建條件變量1
        Condition condition1 = lock.newCondition();
        //條件變量2
        Condition condition2 = lock.newCondition();
        
        // 以下創建兩個線程，裡面都會獲取鎖和釋放鎖
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try {
                System.out.println("await begin");//1
                condition1.await();
                System.out.println("await end");//5
                
                System.out.println("condition2---signal---start");//6
                condition2.signal();
                System.out.println("condition2---signal---endend");//7
            } catch (InterruptedException e) {
                //
            } finally {
                lock.unlock();
            }

        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {

            lock.lock();
            try {
                System.out.println("signal begin");//2
                condition1.signal();
                System.out.println("signal end");//3
                
                System.out.println("condition2---await---start");//4
                condition2.await();
                System.out.println("condition2---await---end");//8
            } catch (InterruptedException e) {
                //
            } finally {
                lock.unlock();
            }

        });

        thread1.start();
        Thread.sleep(500);
        thread2.start();

    }

}

三.走進條件變量

我們看看上面的獲取條件變量的方式Condition condition1 = lock.newCondition()，我們打開newCondition方法，最後就是創建一個ConditionObject實例；這個類是AQS的內部類，通過這個類可以訪問AQS內部的屬性和方法；

註意：在調用await方法和signal方法之前，必須要先獲取鎖

然後我們再看看條件變量的await方法，下圖所示，我們可以進入到addConditionWaiter()方法內部看看：

public final void await() throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    //新建一個Node.CONDITION節點放到條件隊列最後面
    Node node = addConditionWaiter();
    //釋放當前線程獲取的鎖
    int savedState = fullyRelease(node);
    int interruptMode = 0;
    //調用park()方法阻塞掛起當前線程
    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) // clean up if cancelled
        unlinkCancelledWaiters();
    if (interruptMode != 0)
        reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}

private Node addConditionWaiter() {
    Node t = lastWaiter;
    //第一次進來，這個lastWaiter是null，即t = null,不會進入到這個if語句
    if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
        unlinkCancelledWaiters();
        t = lastWaiter;
    }
    //創建一個Node.CONDITION類型的節點，然後下面這個if中就是將第一個節點firstWaiter和最後一個節點都指向這個新創建的節點
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
    if (t == null)
        firstWaiter = node;
    else
        t.nextWaiter = node;
    lastWaiter = node;
    return node;
}

順便在看看signal方法：

public final void signal() {
    if (!isHeldExclusively())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    //條件隊列移除第一個節點，然後把這個節點丟到阻塞隊列中，然後激活這個線程
    Node first = firstWaiter;
    if (first != null)
        doSignal(first);
}

我們想一想在AQS中阻塞隊列和條件隊列有什麼關系啊？

1.當多個線程調用lock.lock()方法的時候，隻有一個線程獲取到可鎖，其他的線程都會被轉為Node節點丟到AQS的阻塞隊列中，並做CAS自旋獲取鎖；

2.當獲取到鎖的線程對應的條件變量的await()方法被調用的時候，該線程就會釋放鎖，並把當前線程轉為Node節點放到條件變量對應的條件隊列中；

3.這個時候AQS的阻塞隊列中又會有一個節點中的線程能得到鎖瞭，如果這個線程又恰巧調用瞭對應條件變量的await()方法時，又會重復2的步驟，然後阻塞隊列中又會有一個節點中的線程獲得鎖

4.然後，又有一個線程調用瞭條件變量的signal()或者signalAll()方法，就會把條件隊列中一個或者所有的節點都移動到AQS阻塞隊列中，然後調用unpark方法進行授權，就等著獲得鎖瞭；

一個鎖對應一個阻塞隊列，但是對應多個條件變量，每一個條件變量對應一個條件隊列；其中，這兩種隊列中存放的都是Node節點，Node節點中封裝瞭線程及其狀態

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