死磕 java同步系列之ReentrantLock源码解析（二）——条件锁

问题

（1）条件锁是什么？

（2）条件锁适用于什么场景？

（3）条件锁的await()是在其它线程signal()的时候唤醒的吗？

简介

条件锁，是指在获取锁之后发现当前业务场景自己无法处理，而需要等待某个条件的出现才可以继续处理时使用的一种锁。

比如，在阻塞队列中，当队列中没有元素的时候是无法弹出一个元素的，这时候就需要阻塞在条件notEmpty上，等待其它线程往里面放入一个元素后，唤醒这个条件notEmpty，当前线程才可以继续去做“弹出一个元素”的行为。

注意，这里的条件，必须是在获取锁之后去等待，对应到ReentrantLock的条件锁，就是获取锁之后才能调用condition.await()方法。

在java中，条件锁的实现都在AQS的ConditionObject类中，ConditionObject实现了Condition接口，下面我们通过一个例子来进入到条件锁的学习中。

使用示例

public class ReentrantLockTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 声明一个重入锁
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        // 声明一个条件锁
        Condition condition = lock.newCondition();

        new Thread(()->{
            try {
                lock.lock();  // 1
                try {
                    System.out.println("before await");  // 2
                    // 等待条件
                    condition.await();  // 3
                    System.out.println("after await");  // 10
                } finally {
                    lock.unlock();  // 11
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
        
        // 这里睡1000ms是为了让上面的线程先获取到锁
        Thread.sleep(1000);
        lock.lock();  // 4
        try {
            // 这里睡2000ms代表这个线程执行业务需要的时间
            Thread.sleep(2000);  // 5
            System.out.println("before signal");  // 6
            // 通知条件已成立
            condition.signal();  // 7
            System.out.println("after signal");  // 8
        } finally {
            lock.unlock();  // 9
        }
    }
}

上面的代码很简单，一个线程等待条件，另一个线程通知条件已成立，后面的数字代表代码实际运行的顺序，如果你能把这个顺序看懂基本条件锁掌握得差不多了。

源码分析

ConditionObject的主要属性

public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
    /** First node of condition queue. */
    private transient Node firstWaiter;
    /** Last node of condition queue. */
    private transient Node lastWaiter;
}

可以看到条件锁中也维护了一个队列，为了和AQS的队列区分，我这里称为条件队列，firstWaiter是队列的头节点，lastWaiter是队列的尾节点，它们是干什么的呢？接着看。

lock.newCondition()方法

新建一个条件锁。

// ReentrantLock.newCondition()
public Condition newCondition() {
    return sync.newCondition();
}
// ReentrantLock.Sync.newCondition()
final ConditionObject newCondition() {
    return new ConditionObject();
}
// AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject.ConditionObject()
public ConditionObject() { }

新建一个条件锁最后就是调用的AQS中的ConditionObject类来实例化条件锁。

condition.await()方法

condition.await()方法，表明现在要等待条件的出现。

// AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject.await()
public final void await() throws InterruptedException {
    // 如果线程中断了，抛出异常
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    // 添加节点到Condition的队列中，并返回该节点
    Node node = addConditionWaiter();
    // 完全释放当前线程获取的锁
    // 因为锁是可重入的，所以这里要把获取的锁全部释放
    int savedState = fullyRelease(node);
    int interruptMode = 0;
    // 是否在同步队列中
    while (!isOnSyncQueue(node)) {
        // 阻塞当前线程
        LockSupport.park(this);
        
        // 上面部分是调用await()时释放自己占有的锁，并阻塞自己等待条件的出现
        // *************************分界线*************************  //
        // 下面部分是条件已经出现，尝试去获取锁
        
        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
            break;
    }
    
    // 尝试获取锁，注意第二个参数，这是上一章分析过的方法
    // 如果没获取到会再次阻塞（这个方法这里就不贴出来了，有兴趣的翻翻上一章的内容）
    if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
        interruptMode = REINTERRUPT;
    // 清除取消的节点
    if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
        unlinkCancelledWaiters();
    // 线程中断相关
    if (interruptMode != 0)
        reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}
// AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject.addConditionWaiter
private Node addConditionWaiter() {
    Node t = lastWaiter;
    // 如果条件队列的尾节点已取消，从头节点开始清除所有已取消的节点
    if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
        unlinkCancelledWaiters();
        // 重新获取尾节点
        t = lastWaiter;
    }
    // 新建一个节点，它的等待状态是CONDITION
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
    // 如果尾节点为空，则把新节点赋值给头节点（相当于初始化队列）
    // 否则把新节点赋值给尾节点的nextWaiter指针
    if (t == null)
        firstWaiter = node;
    else
        t.nextWaiter = node;
    // 尾节点指向新节点
    lastWaiter = node;
    // 返回新节点
    return node;
}
// AbstractQueuedSynchronizer.fullyRelease
final int fullyRelease(Node node) {
    boolean failed = true;
    try {
        // 获取状态变量的值，重复获取锁，这个值会一直累加
        // 所以这个值也代表着获取锁的次数
        int savedState = getState();
        // 一次性释放所有获得的锁
        if (release(savedState)) {
            failed = false;
            // 返回获取锁的次数
            return savedState;
        } else {
            throw new IllegalMonitorStateException();
        }
    } finally {
        if (failed)
            node.waitStatus = Node.CANCELLED;
    }
}
// AbstractQueuedSynchronizer.isOnSyncQueue
final boolean isOnSyncQueue(Node node) {
    // 如果等待状态是CONDITION，或者前一个指针为空，返回false
    // 说明还没有移到AQS的队列中
    if (node.waitStatus == Node.CONDITION || node.prev == null)
        return false;
    // 如果next指针有值，说明已经移到AQS的队列中了
    if (node.next != null) // If has successor, it must be on queue
        return true;
    // 从AQS的尾节点开始往前寻找看是否可以找到当前节点，找到了也说明已经在AQS的队列中了
    return findNodeFromTail(node);
}

这里有几个难理解的点：

（1）Condition的队列和AQS的队列不完全一样；

AQS的队列头节点是不存在任何值的，是一个虚节点；

Condition的队列头节点是存储着实实在在的元素值的，是真实节点。

（2）各种等待状态（waitStatus）的变化；

首先，在条件队列中，新建节点的初始等待状态是CONDITION（-2）；

其次，移到AQS的队列中时等待状态会更改为0（AQS队列节点的初始等待状态为0）；

然后，在AQS的队列中如果需要阻塞，会把它上一个节点的等待状态设置为SIGNAL（-1）；

最后，不管在Condition队列还是AQS队列中，已取消的节点的等待状态都会设置为CANCELLED（1）；

另外，后面我们在共享锁的时候还会讲到另外一种等待状态叫PROPAGATE（-3）。

（3）相似的名称；

AQS中下一个节点是next，上一个节点是prev；

Condition中下一个节点是nextWaiter，没有上一个节点。

如果弄明白了这几个点，看懂上面的代码还是轻松加愉快的，如果没弄明白，彤哥这里指出来了，希望您回头再看看上面的代码。

下面总结一下await()方法的大致流程：

（1）新建一个节点加入到条件队列中去；

（2）完全释放当前线程占有的锁；

（3）阻塞当前线程，并等待条件的出现；

（4）条件已出现（此时节点已经移到AQS的队列中），尝试获取锁；

也就是说await()方法内部其实是先释放锁->等待条件->再次获取锁的过程。

condition.signal()方法

condition.signal()方法通知条件已经出现。

// AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject.signal
public final void signal() {
    // 如果不是当前线程占有着锁，调用这个方法抛出异常
    // 说明signal()也要在获取锁之后执行
    if (!isHeldExclusively())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    // 条件队列的头节点
    Node first = firstWaiter;
    // 如果有等待条件的节点，则通知它条件已成立
    if (first != null)
        doSignal(first);
}
// AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject.doSignal
private void doSignal(Node first) {
    do {
        // 移到条件队列的头节点往后一位
        if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
            lastWaiter = null;
        // 相当于把头节点从队列中出队
        first.nextWaiter = null;
        // 转移节点到AQS队列中
    } while (!transferForSignal(first) &&
             (first = firstWaiter) != null);
}
// AbstractQueuedSynchronizer.transferForSignal
final boolean transferForSignal(Node node) {
    // 把节点的状态更改为0，也就是说即将移到AQS队列中
    // 如果失败了，说明节点已经被改成取消状态了
    // 返回false，通过上面的循环可知会寻找下一个可用节点
    if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
        return false;

    // 调用AQS的入队方法把节点移到AQS的队列中
    // 注意，这里enq()的返回值是node的上一个节点，也就是旧尾节点
    Node p = enq(node);
    // 上一个节点的等待状态
    int ws = p.waitStatus;
    // 如果上一个节点已取消了，或者更新状态为SIGNAL失败（也是说明上一个节点已经取消了）
    // 则直接唤醒当前节点对应的线程
    if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
        LockSupport.unpark(node.thread);
    // 如果更新上一个节点的等待状态为SIGNAL成功了
    // 则返回true，这时上面的循环不成立了，退出循环，也就是只通知了一个节点
    // 此时当前节点还是阻塞状态
    // 也就是说调用signal()的时候并不会真正唤醒一个节点
    // 只是把节点从条件队列移到AQS队列中
    return true;
}

signal()方法的大致流程为：

（1）从条件队列的头节点开始寻找一个非取消状态的节点；

（2）把它从条件队列移到AQS队列；

（3）且只移动一个节点；

注意，这里调用signal()方法后并不会真正唤醒一个节点，那么，唤醒一个节点是在啥时候呢？

还记得开头例子吗？倒回去再好好看看，signal()方法后，最终会执行lock.unlock()方法，此时才会真正唤醒一个节点，唤醒的这个节点如果曾经是条件节点的话又会继续执行await()方法“分界线”下面的代码。

结束了，仔细体会下^^

如果非要用一个图来表示的话，我想下面这个图可以大致表示一下（这里是用时序图画的，但是实际并不能算作一个真正的时序图哈，了解就好）：

ReentrantLock

总结

（1）重入锁是指可重复获取的锁，即一个线程获取锁之后再尝试获取锁时会自动获取锁；

（2）在ReentrantLock中重入锁是通过不断累加state变量的值实现的；

（3）ReentrantLock的释放要跟获取匹配，即获取了几次也要释放几次；

（4）ReentrantLock默认是非公平模式，因为非公平模式效率更高；

（5）条件锁是指为了等待某个条件出现而使用的一种锁；

（6）条件锁比较经典的使用场景就是队列为空时阻塞在条件notEmpty上；

（7）ReentrantLock中的条件锁是通过AQS的ConditionObject内部类实现的；

（8）await()和signal()方法都必须在获取锁之后释放锁之前使用；

（9）await()方法会新建一个节点放到条件队列中，接着完全释放锁，然后阻塞当前线程并等待条件的出现；

（10）signal()方法会寻找条件队列中第一个可用节点移到AQS队列中；

（11）在调用signal()方法的线程调用unlock()方法才真正唤醒阻塞在条件上的节点（此时节点已经在AQS队列中）；

（12）之后该节点会再次尝试获取锁，后面的逻辑与lock()的逻辑基本一致了。

彩蛋

为什么java有自带的关键字synchronized了还需要实现一个ReentrantLock呢？

首先，它们都是可重入锁；

其次，它们都默认是非公平模式；

然后，...，呃，我们下一章继续深入探讨 ReentrantLock VS synchronized。