Java并发编程系列---LockSupport工具和Condition接口

一、LockSupport工具

LockSupport定义了一组的公共静态方法，这些方法提供了最基本的线程阻塞和唤醒功能，而LockSupport也成为构建同步组件的基础工具。

LockSupport定义了一组以park开头的方法用来阻塞当前线程，以及unpark(Thread thread)方法来唤醒一个被阻塞的线程。Park有停车的意思，假设线程为车辆，那么park方法代表着停车，而unpark方法则是指车辆启动离开，这些方法以及描述如下所示。

方法	描述
void park()	阻塞当前线程，如果调用unpark(Thread thread)方法或者当前线程被中断，才能从park()方法返回
void parkNanos(long nanos)	阻塞当前线程，最长不超过nanos纳秒，返回条件在park(的基础上增加了超时返回
void parkUntil(long deadline)	阻塞当前线程，直到deadline时间(从1970年开始到deadline时间的毫秒数)
void unpark(Thread thread)	唤醒处于阻塞状态的线程thread

在Java 6中，LockSupport增加了park(Object blocker)、parkNanos(Object blocker,long nanos)和parkUntil(Object blocker,long deadline)3个方法，用于实现阻塞当前线程的功能， 其中参数blocker是用来标识当前线程在等待的对象(以下称为阻塞对象)，该对象主要用 于问题排查和系统监控。

二、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。
简单点说就是Object支持的，Condition也支持，Object不支持的，Condition还支持。如图。

2.1 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。
所有的方法。

使用方法：

    Lock lock = new ReentrantLock();
    Condition condition = lock.newCondition();

    public void conditionWait() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            condition.await();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void conditionSignal() {
        lock.lock();
        try {
            condition.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

2.1.1 Condition实现一个有界队列

package com.example.demo.Lock;

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
 * @author : pengweiwei
 * @date : 2020/2/11 8:34 下午
 */
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();
        }
    }


}

上述示例中，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。

2.2 Condition的实现原理

ConditionObject是同步器AbstractQueuedSynchronizer的内部类，每个Condition对象都包含着一个等待队列，该队列是Condition对象实现等待/通知功能的关键。Condition的实现，主要包括:等待队列、等待和通知。

2.2.1 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。

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，等待队列的基本结构如下图所示。

Condition拥有首尾节点的引用，而新增节点只需要将原有的尾节点nextWaiter指向它，并且更新尾节点即可。上述节点引用更新的过程并没有使用CAS保证，原因在于调用await()方法的线程必定是获取了锁的线程，也就是说该过程是由锁来保 证线程安全的。

AQS和Condition的关系？

同步器(AQS)拥有一个同步队列和多个等待队列，其对应关系如图所示。

Condition的实现是同步器的内部类，因此每个Condition实例都能够访问同 步器提供的方法，相当于每个Condition都拥有所属同步器的引用。

2.2.2 等待(await)

调用Condition的await()方法(或者以await开头的方法)，会使当前线程进入等待队列 并释放锁，同时线程状态变为等待状态。当从await()方法返回时，当前线程一定获取了 Condition相关联的锁。当调用await()方法时，相当于同步队列的首节点(获取了锁的节点)移动到Condition的等待队列中。

ConditionObject的await方法

        /**
         * 实现可中断的condition等待.
         * 

         * 
 如果当前线程被中断, throw InterruptedException.
         * 
 从 {@link #getState}获取lock state保存 。
         * 
 Invoke {@link #release} with saved state as argument,
         *      throwing IllegalMonitorStateException if it fails.
         * 
 阻塞，直到有通知或者中断.
         * 
 Reacquire by invoking specialized version of
         *      {@link #acquire} with saved state as argument.
         * 
 If interrupted while blocked in step 4, throw InterruptedException.
         * 
         */
        public final void await() throws InterruptedException {
            if (Thread.interrupted())
                throw new InterruptedException();
            Node node = addConditionWaiter(); //加入等待队列
            int savedState = fullyRelease(node);//释放锁
            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。
如果从队列的角度去看，当前线程加入Condition的等待队列，该过程如下图示。 如图所示，同步队列的首节点并不会直接加入等待队列，而是通过addConditionWaiter()方法把当前线程构造成一个新的节点并将其加入等待队列中。

2.2.3 通知(signal)

调用Condition的signal()方法，将会唤醒在等待队列中等待时间最长的节点(首节 点)，在唤醒节点之前，会将节点移到同步队列中。

源码：

        /**
         * 将最长等待线程(如果存在)从condition的等待队列移动到拥有锁的同步队列
         * @throws IllegalMonitorStateException if {@link #isHeldExclusively}
         *         returns {@code false}
         */
        public final void signal() {
            if (!isHeldExclusively())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            Node first = firstWaiter;
            if (first != null)
                doSignal(first);
        }
                /**
         * Removes and transfers nodes until hit non-cancelled one or
         * null. Split out from signal in part to encourage compilers
         * to inline the case of no waiters.
         * @param first (non-null) the first node on condition queue
         */
        private void doSignal(Node first) {
            do {
                if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
                    lastWaiter = null;
                first.nextWaiter = null;
            } while (!transferForSignal(first) &&
                     (first = firstWaiter) != null);
        }
   /**
     * 将节点从等待队列移到同步队列.
     * Returns true if successful.
     * @param node the node
     * @return true if successfully transferred (else the node was
     * cancelled before signal)
     */
    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;
    }

调用该方法的前置条件是当前线程必须获取了锁，可以看到signal()方法进行了 isHeldExclusively()检查，也就是当前线程必须是获取了锁的线程。接着获取等待队列的首 节点，将其移动到同步队列并使用LockSupport唤醒节点中的线程。

节点从等待队列移动到同步队列的过程如图所示。

通过调用同步器的enq(Node node)方法，等待队列中的头节点线程安全地移动到同步 队列。当节点移动到同步队列后，当前线程再使用LockSupport唤醒该节点的线程。
被唤醒后的线程，将从await()方法中的while循环中退出(isOnSyncQueue(Node node) 方法返回true，节点已经在同步队列中)，进而调用同步器的acquireQueued()方法加入到 获取同步状态的竞争中。
成功获取同步状态(或者说锁)之后，被唤醒的线程将从先前调用的await()方法返回，此时该线程已经成功地获取了锁。
Condition的signalAll()方法，相当于对等待队列中的每个节点均执行一次signal()方法，效果就是将等待队列中所有节点全部移动到同步队列中，并唤醒每个节点的线程。