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条件锁

2024-07-30 06:44:05   223人阅读

ReentrantLock类有一个方法newCondition用来生成这个锁对象的一个条件（ConditionObject）对象，它实现了Condition接口。Condition提供了线程通讯的一套机制await和signal等线程间进行通讯的方法。。

1、适用场景
     当某线程获取了锁对象，但因为某些条件没有满足，需要在这个条件上等待，直到条件满足才能够往下继续执行时，就需要用到条件锁。
     这种情况下，线程主动在某条件上阻塞，当其它线程发现条件发生变化时，就可以唤醒阻塞在此条件上的线程。

2、使用示例
     下面是来自JDK的一段示例代码，需要先获得某个锁对象之后，才能调用这个锁的条件对象进行阻塞。
     
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();
     } 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();
       return x;
     } finally {
       lock.unlock();
     }
   }
 }
注意上面的代码，先是通过lock.lock获得了锁对象，然后发现条件不满足时(count==items.length)，缓存已满，无法继续往里面写入数据，这时候就调用条件对象notFull.await()进行阻塞。
如果条件满足，就会往缓存中写入数据，同时通知等待缓存非空的线程,notEmpty.signal.

这样就实现了读线程和写线程之间的通讯

3、线程阻塞对锁的影响
     上面的例子中，线程是先获得了锁对象之后，然后调用notFull.await进行的线程阻塞。在这种情况下，拥有锁的线程进入阻塞，是否可能会造成死锁。
     
     答案当然是否定的。因为线程在调用条件对象的await方法中，首先会释放当前的锁，然后才让自己进入阻塞状态，等待唤醒。

4、线程的条件等待、唤醒与锁对象的关系
     在ReentrantLock解析中说过，AbstractQueuedSynchronizer的内部维护了一个队列，等待该锁的线程是在这个队列中。类似的，ConditionObject内部也是维护了一个队列，等待该条件的线程也构成了一个队列。

     当现成调用await进入阻塞时，便会加入到ConditionObject内部的等待队列中。注意，这里是自己主动进入阻塞，除非被其它线程唤醒或者被中断，否则线程将一直阻塞下去。

     当其它线程调用signal唤醒阻塞的线程时，便把等待队列中的第一个节点从队列中移除，同时把节点加入到AbstractQueuedSynchronizer 锁对象内的等待队列中。为什么是进入到锁的等待队列中？因为线程被唤醒之后，并不意味着就能立刻执行。此时，其它线程有可能正好拥有这个锁，前面也已经有现成在等待这个锁，所以被唤醒的线程需要进入锁的等待队列中，在前面的线程执行完成后，才能继续后续的操作。

     可参考下图
     
     
5、线程是否能同时处于条件对象的等待队列中和锁对象的等待队列中

     不能。线程只有调用条件对象的await方法，才能进入这个条件对象的等待队列中。而线程在调用await方法的前提是线程已经获取了锁，所以线程是在拥有锁的状态下进入条件对象的等待队列的，拥有锁的线程也就是正在运行的线程，是不在锁对象的等待队列中的。
     只有当一个线程试着获取锁的时候，而这个锁正好又由其它线程占据的时候，线程才会进入锁的等待队列中，等待拥有锁的线程执行完成，释放锁的时候被唤醒。

6、实现原理

     相关代码在AbstractQueuedSynchronizer的内部类ConditionObject中可以看到。
     ConditionObject有两个属性firstWaiter和lastWaiter，分别指向的是这个条件对象等待队列的头和尾。
     队列的各个节点都是Node（AbstractQueuedSynchronizer的内部类）对象，通过Node对象的nextWaiter之间进行向下传递，所以，条件对象的等待队列是一个单向链表。

下面是await的源代码
       public final void await () throws InterruptedException {
            if (Thread.interrupted())
                throw new InterruptedException();
            Node node = addConditionWaiter();
            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)
                unlinkCancelledWaiters();
            if (interruptMode != 0)
                reportInterruptAfterWait(interruptMode);
        }

首先是调用addConditionWaiter把当前线程加入到条件对象的等待队列中，然后fullyRelease来释放锁，然后通过isOnSyncQueue来检查当前线程节点是否在锁对象的等待队列中。
为什么要做这个检查？因为线程被signal唤醒的时候，是首先加入到锁对象的等待队列中的。如果没有在锁对象的等待队列中，那么说明事件还没有发生（也就是没有signal方法没有被调用），所以线程需要阻塞来等待被唤醒。

在addConditionWaiter方法中完成了等待队列的构建过程，代码如下

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;
        }
线程加入队列的顺序与加入的时间一致，刚加入的线程是在队列的最后面。

下面来看线程的唤醒
 public final void signal() {
            if (!isHeldExclusively())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            Node first = firstWaiter;
            if (first != null)
                doSignal(first);
        }

唤醒操作实际上是通过doSignal完成，注意这里传递的是firstWaiter指向的节点，也就是唤醒的时候，是从队列头开始唤醒的。
从尾部进入，从头部唤醒，所以这里的等待队列是一个FIFO队列。

private void doSignal (Node first) {
            do {
                if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
                    lastWaiter = null ;
                first. nextWaiter = null ;
            } while (!transferForSignal(first) &&
                     (first = firstWaiter) != null );
        }

doSignal方法把第一个节点从条件对象的等待队列中移除，然后最终是走到transferForSignal中来进行操作。
final boolean transferForSignal (Node node) {
        /*
         * If cannot change waitStatus, the node has been cancelled.
         */
        if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node. CONDITION, 0))
            return false ;

        /*
         * Splice onto queue and try to set waitStatus of predecessor to
         * indicate that thread is (probably) waiting. If cancelled or
         * attempt to set waitStatus fails, wake up to resync (in which
         * case the waitStatus can be transiently and harmlessly wrong).
         */
        Node p = enq(node);
        int ws = p.waitStatus ;
        if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node. SIGNAL))
            LockSupport. unpark(node.thread);
        return true ;
    }

通过enq方法，把线程所在的节点加入到锁对象的等待队列中，这样在条件合适的时候，线程被唤醒，获得锁，然后执行。

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