AQS中的Condition是什么？
今天来和大家聊聊Condition，Condition为AQS“家族”提供了等待与唤醒的能力，使AQS"家族"具备了像synchronized一样暂停与唤醒线程的能力。我们先来看两道关于Condition的面试题目：
- Condition和Object的等待与唤醒有什么区别？
- 什么是Condition队列？
接下来，我们就按照“是什么”，“怎么用”和“如何实现”的顺序来揭开Condition的面纱吧。
Condition是什么？
Condition是Java中的接口，提供了与Object#wait和Object#notify相同的功能。Doug Lea在Condition接口的描述中提到了这点：
Conditions (also known as condition queues or condition variables) provide a means for one thread to suspend execution (to "wait") until notified by another thread that some state condition may now be true.
来看Condition接口中提供了哪些方法：
public interface Condition {
void await() throws InterruptedException;
void awaitUninterruptibly();
long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;
boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;
void signal();
void signalAll();
}Condition只提供了两个功能：等待（await）和唤醒（signal），与Object提供的等待与唤醒时相似的：
public final void wait() throws InterruptedException;
public final void wait(long timeoutMillis, int nanos) throws InterruptedException;
public final native void wait(long timeoutMillis) throws InterruptedException;
@HotSpotIntrinsicCandidate
public final native void notify();
@HotSpotIntrinsicCandidate
public final native void notifyAll();唤醒功能上，Condition与Object的差异并不大：
Condition#signal
Object#notifyCondition#signalAllObject#notifyAll
多个线程处于等待状态时，Object#notify是“随机”唤醒线程，而Condition#signal则由具体实现决定如何唤醒线程，如：ConditionObject唤醒的是最早进入等待的线程，但两个方法均只唤醒一个线程。
等待功能上，Condition与Object的共同点是：都会释放持有的资源，Condition释放锁，Object释放Monitor，即进入等待状态后允许其他线程获取锁/监视器。主要的差异体现在Condition支持了更加丰富的场景，通过一张表格来对比下：
| Condition方法 |
Object方法 |
解释 |
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暂停线程，抛出线程中断异常 |
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/ |
暂停线程，不抛出线程中断异常 |
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暂停线程，直到被唤醒或等待指定时间后，超时后自动唤醒返回false，否则返回true |
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/ |
暂停线程，直到被唤醒或到达指定时间点，超时后自动唤醒返回false，否则返回true |
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/ |
暂停线程，直到被唤醒或等待指定时间后，返回值表示被唤醒时的剩余时间（nanosTimeout-耗时），结果为负数表示超时 |
除了以上差异外，Condition还支持创建多个等待队列，即同一把锁拥有多个等待队列，线程在不同队列中等待，而Object只有一个等待队列。《Java并发编程的艺术》中也有一张类似的表格，放在这里供大家参考：
Tips：
- 实际上signal翻译为唤醒并不恰当~~
- 涉及到Condition的实现部分，下文通过AQS中的ConditionObject详细解释。
Condition怎么用？
既然Condition与Object提供的等待与唤醒功能相同，那么它们的用法是不是也很相似呢？
与调用Object#wait和Object#notifyAll必须处于synchronized修饰的代码中一样（获取Monitor），调用Condition#await和Condition#signalAll的前提是要先获取锁。但不同的是，使用Condition前，需要先通过锁去创建Condition。
以ReentrantLock中提供的Condition为例，首先是创建Condition对象：
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
Condition condition = lock.newCondition();然后是获取锁并调用await方法：
new Thread(() -> {
lock.lock();
try {
condition.await();
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
lock.unlock();
}最后，通过调用singalAll唤醒全部阻塞中的线程：
new Thread(() -> {
lock.lock();
condition.signalAll();
lock.unlock();
}ConditionObject的源码分析
作为接口Condition非常惨，因为在Java中只有AQS中的内部类ConditionObject实现了Condition接口：
public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable {
public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
private transient Node firstWaiter;
private transient Node lastWaiter;
}
static final class Node {
// 省略
}
}ConditionObject只有两个Node类型的字段，分别是链式结构中的头尾节点，ConditionObject就是通过它们实现的等待队列。那么ConditionObject的等待队列起到了怎样的作用呢？是类似于AQS中的排队机制吗？带着这两个问题，我们正是开始源码的分析。
await方法的实现
Condition接口中定义了4个线程等待的方法：
void await() throws InterruptedExceptionvoid awaitUninterruptibly()long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedExceptionboolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedExceptionboolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException
方法虽然很多，但它们之间的差异较小，只体现在时间的处理上，我们看其中最常用的方法：
public final void await() throws InterruptedException {
// 线程中断，抛出异常
if (Thread.interrupted()) {
throw new InterruptedException();
}
// 注释1：加入到Condition的等待队列中
Node node = addConditionWaiter();
// 注释2：释放持有锁（调用AQS的release）
int savedState = fullyRelease(node);
int interruptMode = 0;
// 注释3：判断是否在AQS的等待队列中
while (!isOnSyncQueue(node)) {
LockSupport.park(this);
// 中断时退出方法
if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) {
break;
}
}
// 加入到AQS的等待队列中，调用AQS的acquireQueued方法
if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE) {
interruptMode = REINTERRUPT;
}
// 断开与Condition队列的联系
if (node.nextWaiter != null) {
unlinkCancelledWaiters();
}
if (interruptMode != 0) {
reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}
}注释1的部分，调用addConditionWaiter方法添加到Condition队列中：
private Node addConditionWaiter() {
// 判断当前线程是否为持有锁的线程
if (!isHeldExclusively()) {
throw new IllegalMonitorStateException();
}
// 获取Condition队列的尾节点
Node t = lastWaiter;
// 断开不再位于Condition队列的节点
if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
unlinkCancelledWaiters();
t = lastWaiter;
}
// 创建Node.CONDITION模式的Node节点
Node node = new Node(Node.CONDITION);
if (t == null) {
// 队列为空的场景，将node设置为头节点
firstWaiter = node;
} else {
// 队列不为空的场景，将node添加到尾节点的后继节点上
t.nextWaiter = node;
}
// 更新尾节点
lastWaiter = node;
return node;
}可以看到，Condition的队列是一个朴实无华的双向链表，每次调用addConditionWaiter方法，都会加入到Condition队列的尾部。
注释2的部分，释放线程持有的锁，同时移出AQS的队列，内部调用了AQS的release方法：
final int fullyRelease(Node node) {
try {
int savedState = getState();
if (release(savedState)) {
return savedState;
}
throw new IllegalMonitorStateException();
} catch (Throwable t) {
node.waitStatus = Node.CANCELLED;
throw t;
}
}因为已经分析过AQS的release方法和ReentrantLock实现的tryRelease方法，这里我们就不过多赘述了。
注释3的部分，isOnSyncQueue判断当前线程是否在AQS的等待队列中，我们来看此时存在的情况：
- 如果isOnSyncQueue返回false，即线程不在AQS的队列中，进入自旋，调用LockSupport#park暂停线程；
- 如果isOnSyncQueue返回true，即线程在AQS的队列中，不进入自旋，执行后续逻辑。
结合注释1和注释2的部分，Condition#await的实现原理了就很清晰了：
- Condition与AQS分别维护了一个等待队列，而且是互斥的，即同一个节点只会出现在一个队列中；
- 当调用
Condition#await时，将线程添加到Condition的队列中（注释1），同时从AQS队列中移出（注释2）； - 接着判断线程位于的队列：
- 位于Condition队列中，该线程需要被暂停，调用
LockSupport#park； - 位于AQS队列中，该线程正在等待获取锁。
基于以上的结论，我们已经能够猜到唤醒方法Condition#signalAll的原理了：
- 将线程从Condition队列中移出，并添加到AQS的队列中；
- 调用
LockSupport#unpark唤醒线程。
至于这个猜想是否正确，我们接着来看唤醒方法的实现。
Tips：如果忘记了AQS中相关方法是如何实现的，可以回顾下《AQS的今生，构建出JUC的基础》。
signal和signalAll方法的实现
来看signal和signalAll的源码：
// 唤醒一个处于等待中的线程
public final void signal() {
if (!isHeldExclusively()) {
throw new IllegalMonitorStateException();
}
// 获取Condition队列中的第一个节点
Node first = firstWaiter;
if (first != null) {
// 唤醒第一个节点
doSignal(first);
}
}
// 唤醒全部处于等待中的线程
public final void signalAll() {
if (!isHeldExclusively()){
throw new IllegalMonitorStateException();
}
Node first = firstWaiter;
if (first != null) {
// 唤醒所有节点
doSignalAll(first);
}
}两个方法唯一的差别在于头节点不为空的场景下，是调用doSignal唤醒一个线程还是调用doSignalAll唤醒所有线程：
private void doSignal(Node first) {
do {
// 更新头节点
if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null) {
// 无后继节点的场景
lastWaiter = null;
}
// 断开节点的连接
first.nextWaiter = null;
// 唤醒头节点
} while (!transferForSignal(first) && (first = firstWaiter) != null);
}
private void doSignalAll(Node first) {
// 将Condition的队列置为空
lastWaiter = firstWaiter = null;
do {
// 断开链接
Node next = first.nextWaiter;
first.nextWaiter = null;
// 唤醒当前头节点
transferForSignal(first);
// 更新头节点
first = next;
} while (first != null);
}可以看到，无论是doSignal还是doSignalAll都只是将节点移出Condition队列，而真正起到唤醒作用的是transferForSignal方法，从方法名可以看到该方法是通过“转移”进行唤醒的，我们来看源码：
final boolean transferForSignal(Node node) {
// 通过CAS替换node的状态
// 如果替换失败，说明node不处于Node.CONDITION状态，不需要唤醒
if (!node.compareAndSetWaitStatus(Node.CONDITION, 0)) {
return false;
}
// 将节点添加到AQS的队列的队尾
// 并返回老队尾节点，即node的前驱节点
Node p = enq(node);
int ws = p.waitStatus;
// 对前驱节点状态的判断
if (ws > 0 || !p.compareAndSetWaitStatus(ws, Node.SIGNAL)) {
LockSupport.unpark(node.thread);
}
return true;
}transferForSignal方法中，调用enq方法将node重新添加到AQS的队列中，并返回node的前驱节点，随后对前驱节点的状态进行判断：
- 当时，前驱节点处于
Node.CANCELLED状态，前驱节点退出锁的争抢，node可以直接被唤醒； - 当时，通过CAS修改前驱节点的状态为
Node.SIGNAL，设置失败时，直接唤醒node。
《AQS的今生，构建出JUC的基础》中介绍了waitStatus的5种状态，其中Node.SIGNAL状态表示需要唤醒后继节点。另外，在分析shouldParkAfterFailedAcquire方法的源码时，我们知道在进入AQS的等待队列时，需要将前驱节点的状态更新为Node.SIGNAL。
最后来看enq的实现：
private Node enq(Node node) {
for (;;) {
// 获取尾节点
Node oldTail = tail;
if (oldTail != null) {
// 更新当前节点的前驱节点
node.setPrevRelaxed(oldTail);
// 更新尾节点
if (compareAndSetTail(oldTail, node)) {
oldTail.next = node;
// 返回当前节点的前驱节点（即老尾节点）
return oldTail;
}
} else {
initializeSyncQueue();
}
}
}enq的实现就非常简单了，通过CAS更新AQS的队列尾节点，相当于添加到AQS的队列中，并返回尾节点的前驱节点。好了，唤醒方法的源码到这里就结束了，是不是和我们当初的猜想一模一样呢？
图解ConditionObject原理
功能上，Condition实现了AQS版Object#wait和Object#notify，用法上也与之相似，需要先获取锁，即需要在lock与unlock之间调用。原理上，简单来说就是线程在AQS的队列和Condition的队列之间的转移。
线程t持有锁
假设有线程t已经获取了ReentrantLock，线程t1，t2和t3正在AQS的队列中等待，我们可以得到这样的结构：
线程t执行Condition#await
如果线程t中调用了Condition#await方法，线程t进入Condition的等待队列中，线程t1获取ReentrantLock，并从AQS的队列中移出，结构如下：
线程t1执行Condition#await
如果线程t1中也执行了Condition#await方法，同样线程t1进入Condition队列中，线程t2获取到ReentrantLock，结构如下：
线程t2执行Condition#signal
如果线程t2执行了Condition#signal，唤醒Condition队列中的第一个线程，此时结构如下：
通过上面的流程，我们就可以得到线程是如何在Condition队列与AQS队列中转移的：
结语
关于Condition的内容到这里就结束了，无论是理解，使用还是剖析原理，Condition的难度并不高，只不过大家可能平时用得比较少，因此多少有些陌生。