Java面试必备之AQS阻塞队列和条件队列

一.AQS入队规则

我们仔细分析一下AQS是如何维护阻塞队列的，在独占方式获取资源的时候，是怎么将竞争锁失败的线程丢到阻塞队列中的呢？

我们看看acquire方法，这里首先会调用子类实现的tryAcquire方法尝试修改state，修改失败的话，说明线程竞争锁失败，于是会走到后面的这个条件；

这个addWaiter方法就是将当前线程封装成一个Node.EXCLUSIVE类型的节点，然后丢到阻塞队列中；

第一次还没有阻塞队列的时候，会到enq方法里面，我们仔细看看enq方法

enq()方法中，我们在第一次进入这个方法的时候，下面图一所示，tail和head都指向null；

第一次循环，到首先会到图二，然后判断t所指向的节点是不是null，如果是的话，就用CAS更新节点，这个CAS我们可以看作：头节点head为null，我们把head节点更新为一个哨兵节点（哨兵节点就是new Node()），再将tail也指向head，就是图三了

第二次for循环：走到上面的else语句，将新节点的前一个节点设置为哨兵节点；

然后就是CAS更新节点，这里CAS的意思：如果最后的节点tail指向的和t是一样的，那么就将tail指向node节点

最后再将t的下一个节点设置为node，下图所示，就ok了

二.AQS条件变量的使用

什么是条件变量呢？我们在开始介绍AQS的时候，还有一个内部类没有说，就是ConditionObject，还记得前面说过的Unsafe中的park和unpark方法吗？而这个ConditionObject就对这两个方法进行了一次封装，await()和signal()方法，但是更灵活，可以创建多个条件变量，每个条件变量维护一个条件队列（就是一个单向链表，可以看到Node这个内部类中个属性是nextWaiter）；

注意：每一个条件变量里面都维护了一个条件队列

举个例子，如下所示；

package com.example.demo.study;

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

public class Study0201 {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 创建锁对象
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        // 创建条件变量
        Condition condition = lock.newCondition();
        // 以下创建两个线程，里面都会获取锁和释放锁
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try {
                System.out.println("await begin");
                // 注意，这里调用条件变量的await方法，当前线程就会丢到condition条件变量中的条件队列中阻塞
                condition.await();
                System.out.println("await end");
            } catch (InterruptedException e) {
                //
            } finally {
                lock.unlock();
            }

        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try {
                System.out.println("signal begin");
                // 唤醒被condition变量内部队列中的某个线程
                condition.signal();
                System.out.println("signal end");
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        });
        thread1.start();
        Thread.sleep(500);
        thread2.start();
    }
}

还可以创建多个条件变量，如下所示，每一个条件变量都维护了一个条件队列：

package com.example.demo.study;

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

public class Study0201 {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 创建锁对象
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        // 创建条件变量1
        Condition condition1 = lock.newCondition();
        //条件变量2
        Condition condition2 = lock.newCondition();
        
        // 以下创建两个线程，里面都会获取锁和释放锁
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try {
                System.out.println("await begin");//1
                condition1.await();
                System.out.println("await end");//5
                
                System.out.println("condition2---signal---start");//6
                condition2.signal();
                System.out.println("condition2---signal---endend");//7
            } catch (InterruptedException e) {
                //
            } finally {
                lock.unlock();
            }

        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {

            lock.lock();
            try {
                System.out.println("signal begin");//2
                condition1.signal();
                System.out.println("signal end");//3
                
                System.out.println("condition2---await---start");//4
                condition2.await();
                System.out.println("condition2---await---end");//8
            } catch (InterruptedException e) {
                //
            } finally {
                lock.unlock();
            }

        });

        thread1.start();
        Thread.sleep(500);
        thread2.start();

    }

}

三.走进条件变量

我们看看上面的获取条件变量的方式Condition condition1 = lock.newCondition()，我们打开newCondition方法，最后就是创建一个ConditionObject实例；这个类是AQS的内部类，通过这个类可以访问AQS内部的属性和方法；

注意：在调用await方法和signal方法之前，必须要先获取锁

然后我们再看看条件变量的await方法，下图所示，我们可以进入到addConditionWaiter()方法内部看看：

public final void await() throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    //新建一个Node.CONDITION节点放到条件队列最后面
    Node node = addConditionWaiter();
    //释放当前线程获取的锁
    int savedState = fullyRelease(node);
    int interruptMode = 0;
    //调用park()方法阻塞挂起当前线程
    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);
}

private Node addConditionWaiter() {
    Node t = lastWaiter;
    //第一次进来，这个lastWaiter是null，即t = null,不会进入到这个if语句
    if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
        unlinkCancelledWaiters();
        t = lastWaiter;
    }
    //创建一个Node.CONDITION类型的节点，然后下面这个if中就是将第一个节点firstWaiter和最后一个节点都指向这个新创建的节点
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
    if (t == null)
        firstWaiter = node;
    else
        t.nextWaiter = node;
    lastWaiter = node;
    return node;
}

顺便在看看signal方法：

public final void signal() {
    if (!isHeldExclusively())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    //条件队列移除第一个节点，然后把这个节点丢到阻塞队列中，然后激活这个线程
    Node first = firstWaiter;
    if (first != null)
        doSignal(first);
}

我们想一想在AQS中阻塞队列和条件队列有什么关系啊？

1.当多个线程调用lock.lock()方法的时候，只有一个线程获取到可锁，其他的线程都会被转为Node节点丢到AQS的阻塞队列中，并做CAS自旋获取锁；

2.当获取到锁的线程对应的条件变量的await()方法被调用的时候，该线程就会释放锁，并把当前线程转为Node节点放到条件变量对应的条件队列中；

3.这个时候AQS的阻塞队列中又会有一个节点中的线程能得到锁了，如果这个线程又恰巧调用了对应条件变量的await()方法时，又会重复2的步骤，然后阻塞队列中又会有一个节点中的线程获得锁

4.然后，又有一个线程调用了条件变量的signal()或者signalAll()方法，就会把条件队列中一个或者所有的节点都移动到AQS阻塞队列中，然后调用unpark方法进行授权，就等着获得锁了；

一个锁对应一个阻塞队列，但是对应多个条件变量，每一个条件变量对应一个条件队列；其中，这两种队列中存放的都是Node节点，Node节点中封装了线程及其状态

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