java condition使用及分析
背景：
上一篇文章基于object的wait、notify实现了生产者、消费者模式。本篇文章继续梳理Condition。
一 condition 介绍及demo
Condition是在java 1.5中才出现的，它用来替代传统的Object的wait()、notify()实现线程间的协作，相比使用Object的wait()、notify()，使用Condition的await()、signal()这种方式实现线程间协作更加安全和高效。因此通常来说比较推荐使用Condition，阻塞队列实际上是使用了Condition来模拟线程间协作。
- Condition是个接口，基本的方法就是await()和signal()方法；
- Condition依赖于Lock接口，生成一个Condition的基本代码是lock.newCondition()
- 调用Condition的await()和signal()方法，都必须在lock保护之内，就是说必须在lock.lock()和lock.unlock之间才可以使用
Conditon中的await()对应Object的wait()；
Condition中的signal()对应Object的notify()；
Condition中的signalAll()对应Object的notifyAll()。
condition常见例子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("我在等一个新信号"+this.currentThread().getName());
condition.await();
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
} finally{
System.out.println("拿到一个信号"+this.currentThread().getName());
lock.unlock();
}
}
}
class Producer extends Thread{
@Override
public void run() {
produce();
}
private void produce() {
try {
lock.lock();
System.out.println("我拿到锁"+this.currentThread().getName());
condition.signalAll();
System.out.println("我发出了一个信号："+this.currentThread().getName());
} finally{
lock.unlock();
}
}
}
}
Condition的执行方式，是当在线程Consumer中调用await方法后，线程Consumer将释放锁，并且将自己沉睡，等待唤醒，线程Producer获取到锁后，开始做事，完毕后，调用Condition的signalall方法，唤醒线程Consumer，线程Consumer恢复执行。
以上说明Condition是一个多线程间协调通信的工具类，使得某个，或者某些线程一起等待某个条件（Condition）,只有当该条件具备( signal 或者 signalAll方法被带调用)时 ，这些等待线程才会被唤醒，从而重新争夺锁。
Condition实现生产者、消费者模式：
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 queue = new PriorityQueue(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("队列空，等待数据");
notEmpty.await();
} catch (InterruptedException e) {
flag =false;
}
}
queue.poll(); //每次移走队首元素
notFull.signal();
System.out.println("从队列取走一个元素，队列剩余"+queue.size()+"个元素");
} 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("队列满，等待有空余空间");
notFull.await();
} catch (InterruptedException e) {
flag =false;
}
}
queue.offer(1); //每次插入一个元素
notEmpty.signal();
System.out.println("向队列取中插入一个元素，队列剩余空间："+(queueSize-queue.size()));
} finally{
lock.unlock();
}
}
}
}
}
二 Condition接口
condition可以通俗的理解为条件队列。当一个线程在调用了await方法以后，直到线程等待的某个条件为真的时候才会被唤醒。这种方式为线程提供了更加简单的等待/通知模式。Condition必须要配合锁一起使用，因为对共享状态变量的访问发生在多线程环境下。一个Condition的实例必须与一个Lock绑定，因此Condition一般都是作为Lock的内部实现。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。
await(long time, TimeUnit unit) ：造成当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态
awaitNanos(long nanosTimeout) ：造成当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态。返回值表示剩余时间，如果在nanosTimesout之前唤醒，那么返回值 = nanosTimeout - 消耗时间，如果返回值 <= 0 ,则可以认定它已经超时了。
awaitUninterruptibly() ：造成当前线程在接到信号之前一直处于等待状态。【注意：该方法对中断不敏感】。
awaitUntil(Date deadline) ：造成当前线程在接到信号、被中断或到达指定最后期限之前一直处于等待状态。如果没有到指定时间就被通知，则返回true，否则表示到了指定时间，返回返回false。
signal() ：唤醒一个等待线程。该线程从等待方法返回前必须获得与Condition相关的锁。
signal()All ：唤醒所有等待线程。能够从等待方法返回的线程必须获得与Condition相关的锁。
三 condition实现分析：
- Condition接口包含了多种await方式和两个通知方法
- ConditionObject实现了Condition接口，是AbstractQueuedSynchronizer的内部类（因为Condition的操作都需要获取想关联的锁）
- Reentrantlock的newCondition方法返回与某个lock实例相关的Condition对象
public abstract class AbstractQueuedLongSynchronizer
extends AbstractOwnableSynchronizer
implements java.io.Serializable {3.1 等待队列
Condition是AQS的内部类。每个Condition对象都包含一个队列(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。AQS有一个同步队列和多个等待队列，节点都是Node。等待队列的基本结构如下所示。
等待分为首节点和尾节点。当一个线程调用Condition.await()方法，将会以当前线程构造节点，并将节点从尾部加入等待队列。新增节点就是将尾部节点指向新增的节点。节点引用更新本来就是在获取锁以后的操作，所以不需要CAS保证。同时也是线程安全的操作。
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
当线程调用了Condition的await（）方法以后。线程就作为队列中的一个节点被加入到等待队列中去了。同时会释放锁的拥有。当从await方法返回的时候。当前线程一定会获取condition相关联的锁。
如果从队列（同步队列和等待队列）的角度去看await（）方法，当调用await（）方法时，相当于同步队列的首节点（获取锁的节点）移动到Condition的等待队列中。
调用该方法的线程成功的获取锁的线程，也就是同步队列的首节点，该方法会将当前线程构造成节点并加入到等待队列中，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的时候，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异常信息。
我们看一下这个await的方法，它是AQS的方法，
public final void await() throws InterruptedException { |
02 |
if (Thread.interrupted()) |
03 |
throw new InterruptedException(); |
04 |
Node node = addConditionWaiter(); //将当前线程包装下后， |
05 |
//添加到Condition自己维护的一个链表中。 |
06 |
int savedState = fullyRelease(node);//释放当前线程占有的锁，从demo中看到， |
07 |
//调用await前，当前线程是占有锁的 |
08 |
09 |
int interruptMode = 0; |
10 |
while (!isOnSyncQueue(node)) {//释放完毕后，遍历AQS的队列，看当前节点是否在队列中， |
11 |
//不在 说明它还没有竞争锁的资格，所以继续将自己沉睡。 |
12 |
//直到它被加入到队列中，聪明的你可能猜到了， |
13 |
//没有错，在singal的时候加入不就可以了？ |
14 |
LockSupport.park(this); |
15 |
if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) |
16 |
break; |
17 |
} |
18 |
//被唤醒后，重新开始正式竞争锁，同样，如果竞争不到还是会将自己沉睡，等待唤醒重新开始竞争。 |
19 |
if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE) |
20 |
interruptMode = REINTERRUPT; |
21 |
if (node.nextWaiter != null) |
22 |
unlinkCancelledWaiters(); |
23 |
if (interruptMode != 0) |
24 |
reportInterruptAfterWait(interruptMode); |
25 |
} |
结合代码去看，同步队列的首节点 并不会直接加入等待队列，而是通过addConditionWaiter把当前线程构造成一个新节点并加入到等待队列中。
/**
* 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
调用Condition的signal()方法，将会唤醒在等待队列中等待最长时间的节点（条件队列里的首节点），在唤醒节点前，会将节点移到同步队列中。当前线程加入到等待队列中如图所示：
回到上面的demo，锁被释放后，线程Consumer开始沉睡，这个时候线程因为线程Consumer沉睡时，会唤醒AQS队列中的头结点，所所以线程Producer会开始竞争锁，并获取到，执行完后线程Producer会调用signal方法，“发出”signal信号，signal方法如下：
1 |
public final void signal() { |
2 |
if (!isHeldExclusively()) |
3 |
throw new IllegalMonitorStateException(); |
4 |
Node first = firstWaiter; //firstWaiter为condition自己维护的一个链表的头结点， |
5 |
//取出第一个节点后开始唤醒操作 |
6 |
if (first != null) |
7 |
doSignal(first); |
8 |
} |
被唤醒的线程将从await方法中的while循环中退出（ while (!isOnSyncQueue(node)) { 方法返回true，节点已经在同步队列中）。随后调用同步器的acquireQueued（）方法加入到同步状态的竞争当中去。成功获取到竞争的线程从先前调用await方法返回，此时该线程已经成功获取了锁。
*********************************************
AQS的同步队列与Condition的等待队列，两个队列的作用是不同，事实上，每个线程也仅仅会同时存在以上两个队列中的一个，流程是这样的：
注意：
1.线程producer调用signal方法，这个时候Condition的等待队列中只有线程Consumer一个节点，于是它被取出来，并被加入到AQS的等待队列中。 注意，这个时候，线程Consumer 并没有被唤醒。
2.Sync是AQS的抽象子类，实现可重入和互斥的大部分功能。在Sync的子类中有FairSync和NonfairSync两种代表公平锁策略和非公平锁策略。Sync lock方法留给子类去实现，NonfairSync的实现：
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}否则执行acquire(1),也就是进入aqs等待队列。这里不展开细节。
可以这样理解，整个协作过程是靠结点在AQS的等待队列和Condition的等待队列中来回移动实现的，每个队列的意义不同，Condition作为一个条件类，很好的自己维护了一个等待信号的队列，并在适时的时候将结点加入到AQS的等待队列中来实现的唤醒操作
后记：
梳理本文的过程比较痛苦，为什么呢？因为我没有吃透这一块，发现牵扯的很多，脑子很乱，有广度又有深度，感觉没法梳理，决定一点一点去啃，从浅入深的去梳理，从锁，同步，阻塞队列，并发容器开始，到依赖的底层aqs\原子变量，再到更底层的volatile、cas。其中aqs是其中的关键，很多j.u.c的包是围绕它实现的。目标就是会用，熟悉原理，读懂源码，写出demo，关键地方梳理出流程图，加油！
参考：
http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920385.html
http://ifeve.com/understand-condition/
http://ifeve.com/java-special-troops-aqs/