并发编程实践三：Condition

Condition实例始终被绑定到一个锁（Lock）上。Lock替代了Java的synchronized方法，而Condition则替代了Object的监视器方法，包含wait、notify和notifyAll（想很多其它的了解能够看我的博客：Java并发编程3-等待、通知和中断）。而在Condition中相应为await、signal和signalAll。这篇文章主要讲述Condition的用法。以及它的实现机制。

Condition的使用

与Object的监视器方法不同。每一个Lock能够相应多个Condition对象，这样等待的线程就能够分散到多个等待集合中。就能够针对不同的等待集合来依次唤醒线程。实现唤醒效率的提高（不再须要唤醒全部线程）。看以下的样例：

public class BoundedBuffer {
	final Lock lock = new ReentrantLock();
	final Condition notFull = lock.newCondition();
	final Condition notEmpty = lock.newCondition();

	final Object[] items = new Object[100];
	int putptr, takeptr, count;

	public void put(Object x) throws InterruptedException {
		lock.lock();
		try {
			while (count == items.length)
				notFull.await();
			items[putptr] = x;
			if (++putptr == items.length)
				putptr = 0;
			++count;
			notEmpty.signal();    //唤醒一个take线程
		} finally {
			lock.unlock();
		}
	}

	public Object take() throws InterruptedException {
		lock.lock();
		try {
			while (count == 0)
				notEmpty.await();
			Object x = items[takeptr];
			if (++takeptr == items.length)
				takeptr = 0;
			--count;
			notFull.signal();   //唤醒一个put线程
			return x;
		} finally {
			lock.unlock();
		}
	}
}

以下我们来看看Condition的主要方法：

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。
与此Condition相关的锁以原子方式释放，而且出于线程调度的目的，将禁用当前线程，且在发生下面四种情况之中的一个曾经，当前线程将一直处于休眠状态：
 1）其它某个线程调用此Condition的signal()方法，而且碰巧将当前线程选为被唤醒的线程。或者
 2）其它某个线程调用此Condition的signalAll()方法。或者
 3）其它某个线程中断当前线程，且支持中断线程的挂起；或者
 4）已超过指定的等待时间。或者
 5）发生“虚假唤醒”。

在全部情况下。在此方法返回到当前线程前。都必须又一次获取与此条件有关的锁。
await支持无參数版本号（一直等待）、带时间參数的版本号（仅仅等待指定时间或等待至某个时间）和支持不可中断的等待。

signal

唤醒一个等待线程。

假设全部的线程都在等待此条件。则选择当中的一个唤醒。在从 await 返回之前，该线程必须又一次获取锁。

signalAll

唤醒全部等待线程。
假设全部的线程都在等待此条件，则唤醒全部线程。在从 await 返回之前，每一个线程都必须又一次获取锁。

在使用Condition时，须要注意的是Condition的实例本身也是一个Object，也带有wait、notify和notifyAll方法，注意不要搞混。

Condition的实现

AbstractQueuedLongSynchronizer.ConditionObject是Condition的详细实现类，使用了一个FIFO队列来保存等待的线程，await将一个线程放入等待队列中，signal每次唤醒等待时间最长的线程（而notify则是随意唤醒一个线程）。signalAll则唤醒全部等待线程。等待队列的节点使用和AQS的队列同样的节点（见上一篇：“并发编程实践二：AbstractQueuedSynchronizer”），队列的head和tail的定义例如以下：

public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
	private transient Node firstWaiter;
	private transient Node lastWaiter;
	
	。。。
。。。
}

 

和AQS不同的是，ConditionObject使用nextWaiter指向下一个节点（AQS中使用prev和next），而且waitStatus属性值为Node.CONDITION。

当一个线程获取了锁后，它能够调用该锁相应的Condition的await方法将自己堵塞：
 1）假设当前线程被中断，则抛出中断异常；
 2）将当前线程放置到Condition的等待队列中；
 3）释放当前线程的锁，而且保存锁定状态；
 4）在收到信号、中断或超时前，一直堵塞；
 5）使用保存的锁定状态又一次获取锁；
 6）假设步骤4的堵塞过程中发生中断，则抛出中断异常。

public final void await() throws InterruptedException {
	if (Thread.interrupted())  //1
		throw new InterruptedException();
	Node node = addConditionWaiter();  //2
	int savedState = fullyRelease(node); //3
	int interruptMode = 0;
	while (!isOnSyncQueue(node)) {     //4
		LockSupport.park(this);
		if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
			break;
	}
	if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)  //5
		interruptMode = REINTERRUPT;
	if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
		unlinkCancelledWaiters();
	if (interruptMode != 0)  //6
		reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}

 

整个过程并不复杂，须要注意的是堵塞须要放在一个循环中。防止“虚假唤醒”，之所以要保存锁定状态，是为了使用排它模式来获取锁。

线程能够调用signal来将当前Condition的等待队列中的第一个节点移动到拥有锁的等待队列：
 1）假设不是排它模式。则抛出IllegalMonitorStateException异常。
 2）将等待队列的第一个节点出队列，并将其增加AQS的锁队列。

public final void signal() {
	if (!isHeldExclusively()) //1
		throw new IllegalMonitorStateException();
	Node first = firstWaiter;
	if (first != null)
		doSignal(first);  //2
}
private void doSignal(Node first) {
	do {
		if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
			lastWaiter = null;
		first.nextWaiter = null;
	} while (!transferForSignal(first) &&
			 (first = firstWaiter) != null);
}
final boolean transferForSignal(Node node) {
	if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
		return false;
	Node p = enq(node);
	int ws = p.waitStatus;
	if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
		LockSupport.unpark(node.thread);
	return true;
}

将因为signal总是从队列的第一个节点開始处理。因此总是能够保持唤醒的次序。
signal一開始就运行isHeldExclusively推断是否为排它模式，在ReentrantLock中的实现例如以下：

protected final boolean isHeldExclusively() {
	return getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread();
}

也就是当当前线程为锁的拥有者时。才继续运行。而在transferForSignal中，假设节点的waitStatus不是CONDITION，那么就仅仅会是CANCELLED（在await操作中运行fullyRelease时。假设失败会将节点的waitStatus设置到CANCELLED）；enq将节点增加AQS的堵塞队列，返回节点的前续节点，当前续节点被取消（ws > 0），或者更改状态失败（这里同意失败，失败后被唤醒的线程在acquireQueued中会再次设置前续节点的状态，直到成功）后，将运行唤醒线程的操作。

线程也能够调用signalAll将全部线程从此Condition的等待队列移动到拥有锁的等待队列。

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);
}

signalAll在doSignalAll中依次调用transferForSignal将Condition的等待队列中的全部节点移动到锁的等待队列中。

结束语

Condition在设计时就充分考虑了Object的监视器方法的缺陷。一个lock能够相应多个Condition，从而能够使线程分散到多个等待队列中，使应用更为灵活，而且在实现上使用了FIFO队列来保存等待线程，确保了能够做到使用signal按FIFO方式唤醒等待线程。避免每次唤醒全部线程导致数据竞争。
Condition这种设计相同也导致使用上要比Object的监视器方法更为复杂，你须要考虑使用多少个Condition。在什么地方使用哪个condition等等？因为Condition是和Lock配合使用的。所以是否使用Condition须要和Lock一起综合考虑。