同步工具LockSupport&Condition

LockSupport

LockSupport工具类定义了一组的公共静态方法用来阻塞或唤醒一个线程。

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。

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。

线程dump信息，有阻塞对象的parkNanos方法能够传递给开发人员更多的现场信息，方便问题定位。

Condition

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。获取一个Condition必须通过Lock的newCondition()方法。

基本使用

public class ConditionUseCase {

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

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

    public void conditionSignal() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            // 唤醒
            condition.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

一般都会将Condition对象作为成员变量。当调用await()方法后，当前线程会释放锁并在此等待，而其他线程调用Condition对象的signal()方法，通知当前线程后，当前线程才从await()方法返回，并且在返回前已经获取了锁。

Condition的（部分）方法以及描述：

有界队列示例

有界队列是一种特殊的队列，当队列为空时，队列的获取操作将会阻塞获取线程，直到队列中有新增元素，当队列已满时，队列的插入操作将会阻塞插入线程，直到队列出现“空位”。

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
    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();
        }
    }
}

满或者空两种状态，两个等待队列
首先需要获得锁，目的是确保数组修改的可见性和排他性。

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。

原理

ConditionObject是同步器AbstractQueuedSynchronizer的内部类，每个Condition对象都包含着一个队列（以下称为等待队列），该队列是Condition对象实现等待/通知功能的关键。

    public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
        // ...
        private transient Node firstWaiter;
        private transient Node lastWaiter;
        // ...
    }   

等待队列

等待队列是一个FIFO的队列，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。

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。

更新尾节点的过程并没有使用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，该过程是由锁来保证线程安全的。

在Object的监视器模型上，一个对象拥有一个同步队列和等待队列；

并发包中的Lock（更确切地说是同步器）拥有一个同步队列和多个等待队列

等待

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。

如果从队列（同步队列和等待队列）的角度看await()方法，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：

        public final void await() throws InterruptedException {
            // 线程如果被中断，直接抛异常
            if (Thread.interrupted())
                throw new InterruptedException();
            // 将当前线程加入到等待队列
            Node node = addConditionWaiter();
            // 释放同步状态（锁）
            long savedState = fullyRelease(node);
            int interruptMode = 0;
            // 此时节点已经不在同步队列，线程阻塞
            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);
        }

调用该方法的线程即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。

通知

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。

ConditionObject的signal方法：

        public final void signal() {
            // 当前线程需要获取锁，否则直接抛异常
            if (!isHeldExclusively())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            Node first = firstWaiter;
            if (first != null)
                doSignal(first);
        }

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。（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）

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，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。