浅析Condition接口

任意一个Java对象,都拥有一组监视器方法(定义在java.lang.Object上),主要包括wait()、wait(long timeout)、notify()以及notifyAll()方法,这些方法与synchronized同步关键字配合,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。

对比Object的监视器方法和Condition接口,可以更详细地了解Condition的特性


Object的监视器方法与Condition接口的对比

Condition接口与示例

Condition定义了等待/通知两种类型的方法,当前线程调用这些方法时,需要提前获取到Condition对象关联的锁。Condition对象是由Lock对象(调用Lock对象的newCondition()方法)创建出来的,换句话说,Condition是依赖Lock对象的。

获取一个Condition必须通过Lock的newCondition()方法。下面通过一个有界队列的示例来深入了解Condition的使用方式。有界队列是一种特殊的队列,当队列为空时,队列的获取操作将会阻塞获取线程,直到队列中有新增元素,当队列已满时,队列的插入操作将会阻塞插入线程,直到队列出现“空位”

public class BoundedQueue<T> {
private Object[] items;
// 添加的下标,删除的下标和数组当前数量
private int addIndex, removeIndex, count;
private Lock lock = new ReentrantLock();
private Condition notEmpty = lock.newCondition();
private Condition notFull = lock.newCondition();
public BoundedQueue(int size) {
    items = new Object[size];
}
// 添加一个元素,如果数组满,则添加线程进入等待状态,直到有"空位"
public void add(T t) throws InterruptedException {
    lock.lock();
    try {
    while (count == items.length)
        notFull.await();
        items[addIndex] = t;
    if (++addIndex == items.length)
        addIndex = 0;
        ++count;
        notEmpty.signal();
     } finally {
    lock.unlock();
    }
}
// 由头部删除一个元素,如果数组空,则删除线程进入等待状态,直到有新添加元素
@SuppressWarnings("unchecked")
public T remove() throws InterruptedException {
    lock.lock();
    try {
    while (count == 0)
        notEmpty.await();
    Object x = items[removeIndex];
    if (++removeIndex == items.length)
        removeIndex = 0;
    --count;
    notFull.signal();
    return (T) x;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

BoundedQueue通过add(T t)方法添加一个元素,通过remove()方法移出一个元素。以添加方法为例。

首先需要获得锁,目的是确保数组修改的可见性和排他性。当数组数量等于数组长度时,表示数组已满,则调用notFull.await(),当前线程随之释放锁并进入等待状态。如果数组数量不等于数组长度,表示数组未满,则添加元素到数组中,同时通知等待在notEmpty上的线程,数组中已经有新元素可以获取。在添加和删除方法中使用while循环而非if判断,目的是防止过早或意外的通知,只有条件符合才能够退出循环。回想之前提到的等待/通知的经典范式,二者是非常类似的。

Condition的实现分析

ConditionObject是同步器AbstractQueuedSynchronizer的内部类,因为Condition的操作需要获取相关联的锁,所以作为同步器的内部类也较为合理。每个Condition对象都包含着一个队列(以下称为等待队列),该队列是Condition对象实现等待/通知功能的关键。下面将分析Condition的实现,主要包括:等待队列、等待和通知,下面提到的Condition如果不加说明均指的是ConditionObject。

1.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。事实上,节点的定义复用了同步器中节点的定义,也就是说,同步队列和等待队列中节点类型都是同步器的静态内部类AbstractQueuedSynchronizer.Node。

一个Condition包含一个等待队列,Condition拥有首节点(firstWaiter)和尾节点(lastWaiter)。当前线程调Condition.await()方法,将会以当前线程构造节点,并将节点从尾部

在Object的监视器模型上,一个对象拥有一个同步队列和等待队列,而并发包中的Lock(更确切地说是同步器)拥有一个同步队列和多个等待队列,其对应关系如图所示

2.等待
 public final void await() throws InterruptedException {
            if (Thread.interrupted())
                throw new InterruptedException();
            // 当前线程加入等待队列
            Node node = addConditionWaiter();
            // 释放同步状态,也就是释放锁
            int 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) // clean up if cancelled
                unlinkCancelledWaiters();
            if (interruptMode != 0)
                reportInterruptAfterWait(interruptMode);
        }

调用该方法的线程成功获取了锁的线程,也就是同步队列中的首节点,该方法会将当前线程构造成节点并加入等待队列中,然后释放同步状态,唤醒同步队列中的后继节点,然后当前线程会进入等待状态。

当等待队列中的节点被唤醒,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。

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