Java Condition類案例詳解

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一 condition 介紹及demo

　Condition是在java 1.5中才出現的，它用來替代傳統的Object的wait()、notify()實現線程間的協作，相比使用Object的wait()、notify()，使用Condition的await()、signal()這種方式實現線程間協作更加安全和高效。因此通常來說比較推薦使用Condition，阻塞隊列實際上是使用瞭Condition來模擬線程間協作。

Condition是個接口，基本的方法就是await()和signal()方法；
Condition依賴於Lock接口，生成一個Condition的基本代碼是lock.newCondition()
調用Condition的await()和signal()方法，都必須在lock保護之內，就是說必須在lock.lock()和lock.unlock之間才可以使用
Conditon中的await()對應Object的wait()；

Condition中的signal()對應Object的notify()；

Condition中的signalAll()對應Object的notifyAll()。

在這裡插入圖片描述

condition常見例子arrayblockingqueue。下面是demo：

package thread;
 
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
 * 
 * @author zhangliang
 *
 * 2016年4月8日 下午5:48:54
 */
public class ConTest {
	
	 final Lock lock = new ReentrantLock();
	 final Condition condition = lock.newCondition();
 
	public static void main(String[] args) {
		// TODO Auto-generated method stub
		ConTest test = new ConTest();
	    Producer producer = test.new Producer();
	    Consumer consumer = test.new Consumer();
	          
	    
	    consumer.start(); 
	    producer.start();
	}
	
	 class Consumer extends Thread{
         
	        @Override
	        public void run() {
	            consume();
	        }
	          
	        private void consume() {
	           	             
	                try {
	                	   lock.lock();
	                    System.out.println("我在等一個新信號"+this.currentThread().getName());
	                    condition.await();
	                    
	                } catch (InterruptedException e) {
						// TODO Auto-generated catch block
						e.printStackTrace();
					} finally{
						System.out.println("拿到一個信號"+this.currentThread().getName());
	                    lock.unlock();
	                }
	            
	        }
	    }
	 
	 class Producer extends Thread{
         
	        @Override
	        public void run() {
	            produce();
	        }
	          
	        private void produce() {	             
	                try {
	                	   lock.lock();
	                       System.out.println("我拿到鎖"+this.currentThread().getName());
	                        condition.signalAll();	                         
	                    System.out.println("我發出瞭一個信號："+this.currentThread().getName());
	                } finally{
	                    lock.unlock();
	                }
	            }
	 }
	    
}

運行結果：

在這裡插入圖片描述

Condition的執行方式，是當在線程Consumer中調用await方法後，線程Consumer將釋放鎖，並且將自己沉睡，等待喚醒，線程Producer獲取到鎖後，開始做事，完畢後，調用Condition的signalall方法，喚醒線程Consumer，線程Consumer恢復執行。

以上說明Condition是一個多線程間協調通信的工具類，使得某個，或者某些線程一起等待某個條件（Condition）,隻有當該條件具備( signal 或者 signalAll方法被帶調用)時 ，這些等待線程才會被喚醒，從而重新爭奪鎖。

Condition實現生產者、消費者模式：

package thread;
 
import java.util.PriorityQueue;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
 
public class ConTest2 {
	    private int queueSize = 10;
	    private PriorityQueue<Integer> queue = new PriorityQueue<Integer>(queueSize);
	    private Lock lock = new ReentrantLock();
	    private Condition notFull = lock.newCondition();
	    private Condition notEmpty = lock.newCondition();
	     
	    public static void main(String[] args) throws InterruptedException  {
	    	ConTest2 test = new ConTest2();
	        Producer producer = test.new Producer();
	        Consumer consumer = test.new Consumer();	          
	        producer.start();
	        consumer.start();
	        Thread.sleep(0);
	        producer.interrupt();
	        consumer.interrupt();
	    }
	      
	    class Consumer extends Thread{	          
	        @Override
	        public void run() {
	            consume();
	        }
	        volatile boolean flag=true;  
	        private void consume() {
	            while(flag){
	                lock.lock();
	                try {
	                    while(queue.isEmpty()){
	                        try {
	                            System.out.println("隊列空，等待數據");
	                            notEmpty.await();
	                        } catch (InterruptedException e) {	                          
	                            flag =false;
	                        }
	                    }
	                    queue.poll();                //每次移走隊首元素
	                    notFull.signal();
	                    System.out.println("從隊列取走一個元素，隊列剩餘"+queue.size()+"個元素");
	                } finally{
	                    lock.unlock();
	                }
	            }
	        }
	    }
	      
	    class Producer extends Thread{	          
	        @Override
	        public void run() {
	            produce();
	        }
	        volatile boolean flag=true;  
	        private void produce() {
	            while(flag){
	                lock.lock();
	                try {
	                    while(queue.size() == queueSize){
	                        try {
	                            System.out.println("隊列滿，等待有空餘空間");
	                            notFull.await();
	                        } catch (InterruptedException e) {
	                            
	                            flag =false;
	                        }
	                    }
	                    queue.offer(1);        //每次插入一個元素
	                    notEmpty.signal();
	                    System.out.println("向隊列取中插入一個元素，隊列剩餘空間："+(queueSize-queue.size()));
	                } finally{
	                    lock.unlock();
	                }
	            }
	        }
	    }
	}

運行結果：

在這裡插入圖片描述

二 Condition接口

condition可以通俗的理解為條件隊列。當一個線程在調用瞭await方法以後，直到線程等待的某個條件為真的時候才會被喚醒。這種方式為線程提供瞭更加簡單的等待/通知模式。Condition必須要配合鎖一起使用，因為對共享狀態變量的訪問發生在多線程環境下。一個Condition的實例必須與一個Lock綁定，因此Condition一般都是作為Lock的內部實現。

await() ：造成當前線程在接到信號或被中斷之前一直處於等待狀態。
await(long time, TimeUnit unit) ：造成當前線程在接到信號、被中斷或到達指定等待時間之前一直處於等待狀態
awaitNanos(long nanosTimeout) ：造成當前線程在接到信號、被中斷或到達指定等待時間之前一直處於等待狀態。返回值表示剩餘時間，如果在nanosTimesout之前喚醒，那麼返回值 = nanosTimeout – 消耗時間，如果返回值 <= 0 ,則可以認定它已經超時瞭。

awaitUninterruptibly() ：造成當前線程在接到信號之前一直處於等待狀態。【註意：該方法對中斷不敏感】。
awaitUntil(Date deadline) ：造成當前線程在接到信號、被中斷或到達指定最後期限之前一直處於等待狀態。如果沒有到指定時間就被通知，則返回true，否則表示到瞭指定時間，返回返回false。
signal() ：喚醒一個等待線程。該線程從等待方法返回前必須獲得與Condition相關的鎖。
signal()All ：喚醒所有等待線程。能夠從等待方法返回的線程必須獲得與Condition相關的鎖。

三 condition實現分析：

在這裡插入圖片描述

Condition接口包含瞭多種await方式和兩個通知方法
ConditionObject實現瞭Condition接口，是AbstractQueuedSynchronizer的內部類（因為Condition的操作都需要獲取想關聯的鎖）
Reentrantlock的newCondition方法返回與某個lock實例相關的Condition對象

public abstract class AbstractQueuedLongSynchronizer
    extends AbstractOwnableSynchronizer
    implements java.io.Serializable {

結合上面的類圖，我們看到condition實現是依賴於aqs，而aqs是個抽象類。裡面定義瞭同步器的基本框架，實現瞭基本的結構功能。隻留有狀態條件的維護由具體同步器根據具體場景來定制，如常見的 ReentrantLock 、 RetrantReadWriteLock和CountDownLatch 等等，

3.1 等待隊列

Condition是AQS的內部類。每個Condition對象都包含一個隊列(等待隊列)。等待隊列是一個FIFO的隊列，在隊列中的每個節點都包含瞭一個線程引用，該線程就是在Condition對象上等待的線程，如果一個線程調用瞭Condition.await()方法，那麼該線程將會釋放鎖、構造成節點加入等待隊列並進入等待狀態。AQS有一個同步隊列和多個等待隊列，節點都是Node。等待隊列的基本結構如下所示。

在這裡插入圖片描述

等待分為首節點和尾節點。當一個線程調用Condition.await()方法，將會以當前線程構造節點，並將節點從尾部加入等待隊列。新增節點就是將尾部節點指向新增的節點。節點引用更新本來就是在獲取鎖以後的操作，所以不需要CAS保證。同時也是線程安全的操作。

public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 1173984872572414699L;
    /** First node of condition queue. */
    private transient Node firstWaiter;
    /** Last node of condition queue. */
    private transient Node lastWaiter;

3.2 等待

當線程調用瞭Condition的await（）方法以後。線程就作為隊列中的一個節點被加入到等待隊列中去瞭。同時會釋放鎖的擁有。當從await方法返回的時候。當前線程一定會獲取condition相關聯的鎖。

如果從隊列（同步隊列和等待隊列）的角度去看await（）方法，當調用await（）方法時，相當於同步隊列的首節點（獲取鎖的節點）移動到Condition的等待隊列中。

調用該方法的線程成功的獲取鎖的線程，也就是同步隊列的首節點，該方法會將當前線程構造成節點並加入到等待隊列中，然後釋放同步狀態，喚醒同步隊列中的後繼節點，然後當前線程會進入等待狀態。

當等待隊列中的節點被喚醒的時候，則喚醒節點的線程開始嘗試獲取同步狀態。如果不是通過 其他線程調用Condition.signal()方法喚醒，而是對等待線程進行中斷，則會拋出InterruptedException異常信息。

在這裡插入圖片描述

我們看一下這個await的方法，它是AQS的方法，

public final void await() throws InterruptedException {
	if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
Node node = addConditionWaiter(); //將當前線程包裝下後，
//添加到Condition自己維護的一個鏈表中。
int savedState = fullyRelease(node);//釋放當前線程占有的鎖，從demo中看到，
//調用await前，當前線程是占有鎖的

int interruptMode = 0;
	 while (!isOnSyncQueue(node)) {//釋放完畢後，遍歷AQS的隊列，看當前節點是否在隊列中，
//不在 說明它還沒有競爭鎖的資格，所以繼續將自己沉睡。
//直到它被加入到隊列中，聰明的你可能猜到瞭，
//沒有錯，在singal的時候加入不就可以瞭？
LockSupport.park(this);
if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
break;
}
//被喚醒後，重新開始正式競爭鎖，同樣，如果競爭不到還是會將自己沉睡，等待喚醒重新開始競爭。
if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
interruptMode = REINTERRUPT;
if (node.nextWaiter != null)
unlinkCancelledWaiters();
if (interruptMode != 0)
reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}

結合代碼去看，同步隊列的首節點 並不會直接加入等待隊列，而是通過addConditionWaiter把當前線程構造成一個新節點並加入到等待隊列中。

/**
         * Adds a new waiter to wait queue.
         * @return its new wait node
         */
        private Node addConditionWaiter() {
            Node t = lastWaiter;
            // If lastWaiter is cancelled, clean out.
            if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
                unlinkCancelledWaiters();
                t = lastWaiter;
            }
            Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
            if (t == null)
                firstWaiter = node;
            else
                t.nextWaiter = node;
            lastWaiter = node;
            return node;
        }

3.3 通知

調用Condition的signal()方法，將會喚醒在等待隊列中等待最長時間的節點（條件隊列裡的首節點），在喚醒節點前，會將節點移到同步隊列中。當前線程加入到等待隊列中如圖所示：

在這裡插入圖片描述

回到上面的demo，鎖被釋放後，線程Consumer開始沉睡，這個時候線程因為線程Consumer沉睡時，會喚醒AQS隊列中的頭結點，所所以線程Producer會開始競爭鎖，並獲取到，執行完後線程Producer會調用signal方法，“發出”signal信號，signal方法如下：

public final void signal() {
	 if (!isHeldExclusively())
	 throw new IllegalMonitorStateException();
	 Node first = firstWaiter; //firstWaiter為condition自己維護的一個鏈表的頭結點，
	                          //取出第一個節點後開始喚醒操作
	 if (first != null)
	 doSignal(first);
	 }

在調用signal()方法之前必須先判斷是否獲取到瞭鎖（isHeldExclusively方法）。接著獲取等待隊列的首節點，將其移動到同步隊列並且利用LockSupport喚醒節點中的線程。
被喚醒的線程將從await方法中的while循環中退出（ while (!isOnSyncQueue(node)) { 方法返回true，節點已經在同步隊列中）。隨後調用同步器的acquireQueued（）方法加入到同步狀態的競爭當中去。成功獲取到競爭的線程從先前調用await方法返回，此時該線程已經成功獲取瞭鎖。

AQS的同步隊列與Condition的等待隊列，兩個隊列的作用是不同，事實上，每個線程也僅僅會同時存在以上兩個隊列中的一個，流程是這樣的：

在這裡插入圖片描述

註意：

1.線程producer調用signal方法，這個時候Condition的等待隊列中隻有線程Consumer一個節點，於是它被取出來，並被加入到AQS的等待隊列中。 註意，這個時候，線程Consumer 並沒有被喚醒。

2.Sync是AQS的抽象子類，實現可重入和互斥的大部分功能。在Sync的子類中有FairSync和NonfairSync兩種代表公平鎖策略和非公平鎖策略。Sync lock方法留給子類去實現，NonfairSync的實現：

 final void lock() {
            if (compareAndSetState(0, 1))
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            else
                acquire(1);
        }

其中如果一開始獲取鎖成功，是直接設置當前線程。
否則執行acquire(1),也就是進入aqs等待隊列。這裡不展開細節。

可以這樣理解，整個協作過程是靠結點在AQS的等待隊列和Condition的等待隊列中來回移動實現的，每個隊列的意義不同，Condition作為一個條件類，很好的自己維護瞭一個等待信號的隊列，並在適時的時候將結點加入到AQS的等待隊列中來實現的喚醒操作

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