ReentrantLock Condition的使用和实现原理（不留死角！！！）
文章目录
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- 1. 概述
- 2. 初识Condition
- 3. 5种await方法的使用
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- 3.1 await()
- 3.2 awaitUninterruptibly()
- 3.3 awaitNanos(long nanosTimeout)
- 3.4 awaitUntil(Date deadline)
- 3.5 await(long time, TimeUnit unit)
- 4. 5种await方法的源码分析
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- 4.1 await()
- 4.2 awaitUninterruptibly()
- 4.3 awaitNanos(long nanosTimeout)
- 4.4 awaitUntil(Date deadline)
- 4.5 await(long time, TimeUnit unit)
- 5. signal和signalAll的源码分析
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1. 概述
本文是分析ReentrantLock源码的第三篇博客，介绍Condition的使用和分析源码的实现细节。之前的两篇博客链接如下，有兴趣的读者不妨看看。
- 【图解】一篇搞定ReentrantLock的加锁和解锁过程
- ReentrantLock中4种加锁方式的使用区别和源码实现的细节差异
通过这篇博客可以学习到Condition当中5种await方法,signal和signalAll方法的使用和源码的实现细节。
2. 初识Condition
在介绍方法的使用和分析源码之前，先来了解一下Condition是什么。
可以把Condition看作是Object监视器的替代品。众所周知，Object有wait()和notify()方法，用于线程间的通信。并且这两个方法只能在synchronized同步块内才可以调用，所有线程的等待和唤醒都需要关联到监视器对象的WaitSet集合。
Condition同样可以实现上面的线程通信。不同点在于，synchronized锁对象关联的监视器对象仅有一个，所以等待队列也只有一个。而一个ReentrantLock可以有多个Condition，这样可以根据不同的业务需求，在使用同一个lock锁对象的基础上使用多个等待队列，让不同性质的线程加入到不同的等待队列当中。
AQS当中Condition的实现类是ConditionObject，它是AQS的内部类，所以无法直接实例化。可以配合ReentrantLock来使用。
ReentrantLock中有newCondition()的方法，来实例化一个ConditionObject对象，因此可以调用多次newCondition()方法来得到多个等待队列。
3. 5种await方法的使用
3.1 await()
先来看一个比较简单的例子,一个线程，拿到锁由于某些条件无法满足，调用condition.await()方法
@Slf4j(topic = "s")
public class AwaitTest1 {
static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
static Condition condition = lock.newCondition();
public static void main(String[] args) {
new Thread(() -> {
try {
lock.lock();
log.debug("因为某些条件无法满足，进入等待");
condition.await();
log.debug("条件满足了被唤醒，开始工作");
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}, "t1").start();
}
}
控制台输出如下，仅仅打印出了一句话，说明调用await方法之后，该线程就不会继续往下执行代码了。这就和Object的wait方法很像，需要另一个线程调用notify来唤醒。不过此处的方法名字不叫做notify，而是signal
修改上面的测试代码如下：
@Slf4j(topic = "s")
public class AwaitTest1 {
static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
static Condition condition = lock.newCondition();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
new Thread(() -> {
try {
lock.lock();
log.debug("因为某些条件无法满足，进入等待");
condition.await();
log.debug("条件满足了被唤醒，开始工作");
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}, "t1").start();
TimeUnit.SECONDS.sleep(4);
lock.lock();
condition.signal();
lock.unlock();
}
}
此时的结果如下，4秒后，主线程将t1线程唤醒，t1线程就继续执行后面的逻辑啦，打印了开始工作。
上面的就是await/signal最基本的使用例子。由两个线程来协作完成，一个线程等待，另一个线程负责唤醒。
3.2 awaitUninterruptibly()
这一节来看看awaitUninterruptibly()和await()方法有什么样的不同。
从名字上看，该方法多了Uninterruptibly，不可打断的意思。那么就写一个测试代码，打断一下正在等待的线程看看有什么区别。
先来试一下调用了await()方法的线程被打断的结果，测试代码如下：
@Slf4j(topic = "s")
public class AwaitTest2 {
static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
static Condition condition = lock.newCondition();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread thread = new Thread(() -> {
try {
lock.lock();
log.debug("因为某些条件无法满足，进入等待");
condition.await();
log.debug("条件满足了被唤醒，开始工作");
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}, "t1");
thread.start();
TimeUnit.SECONDS.sleep(4);
thread.interrupt();//打断t1线程
}
}
控制台的输出如下，打断t1线程之后，t1线程会抛出中断异常。
那么调用awaitUninterruptibly()的结果呢？测试代码如下,仅仅将await替换成awaitUninterruptibly。
@Slf4j(topic = "s")
public class AwaitTest2 {
static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
static Condition condition = lock.newCondition();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread thread = new Thread(() -> {
try {
lock.lock();
log.debug("因为某些条件无法满足，进入等待");
condition.awaitUninterruptibly();//仅修改此处
log.debug("条件满足了被唤醒，开始工作");
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}, "t1");
thread.start();
TimeUnit.SECONDS.sleep(4);
thread.interrupt();
}
}
控制台输出如下，并不会抛出中断异常。
总结
- 调用了await方法的线程会因为中断抛出异常。
- 调用了awaitUninterruptibly方法的线程不会因为中断抛出中断异常。
底层是如何实现的呢？第4部分会分析，继续往下看。
3.3 awaitNanos(long nanosTimeout)
上面的两个方法在不发生异常的情况下，会一直在等待被其他线程唤醒。接下来的三个方法，都是带有时间的等待，在一个时间范围内等待，超过这个时间范围，那么就会自己醒来。
测试代码如下：
@Slf4j(topic = "s")
public class AwaitTest3 {
static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
static Condition condition = lock.newCondition();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread thread = new Thread(() -> {
try {
lock.lock();
log.debug("因为某些条件无法满足，进入等待");
condition.awaitNanos(5000000000l);//5秒
log.debug("条件满足了被唤醒，或超时，开始工作");
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}, "t2");
thread.start();
}
}
控制台输出结果如下，等待5秒后，t2线程自己醒来了，继续执行代码。
参数的意思是一个纳秒时间，截止的时间是当前时间+纳秒时间。在截止时间之前，t2线程可以被其他线程叫醒（signal）或者中断（抛出中断异常）。如果超过截止时间，则t2线程自己醒来执行下面的代码。
提问：超过截止时间，t2线程醒来后是立马执行接下来的代码吗？
下面再写一个测试例子看看结果如何：
@Slf4j(topic = "s")
public class AwaitTest3 {
static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
static Condition condition = lock.newCondition();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// t2线程 因为某条件不满足 进入等待队列
Thread thread = new Thread(() -> {
try {
lock.lock();
log.debug("因为某些条件无法满足，进入等待");
condition.awaitNanos(5000000000l);//5秒
log.debug("条件满足了被唤醒，开始工作");
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}, "t2");
thread.start();
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
lock.lock();
// 创建5个线程，因为拿不到锁都进入阻塞队列
for (int i = 0; i < 5; i++) {
int finalI = i;
new Thread(() -> {
try {
log.debug("t" + (finalI + 3) + "线程拿不到锁 进入阻塞队列");
lock.lock();
log.debug("t" + (finalI + 3) + "线程拿到锁，开始工作");
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);//模拟工作时间2秒
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}, "t" + (i + 3)).start();
}
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);//确保t3 - t7 5个线程都进入阻塞队列
lock.unlock();
}
}
先说明一下代码的意图，首先t2线程因为不满足某些条件而调用awaitNanos()方法进入等待队列。之后主线程拿锁，for循环创建5个线程，这5个线程由于拿不到锁会进入阻塞队列，至于为什么，之前的博客已经说明过了，这里不再赘述。
我们来看看结果，看看t2线程是在什么时候执行工作的。控制台输出如下：
可以看到在10秒的时候，它进入了等待队列，但是在20秒的时候，他才继续工作。期间相差的这10秒中，恰好是5个线程，每个线程工作2秒的时间总和。
所以这里可以猜想，t2醒来后它跑到了阻塞队列当中，到底是不是这样的呢？第4部分源码分析的时候再证明。
3.4 awaitUntil(Date deadline)
该方法也是一个规定时间的等待，在截止时间之前，线程可以被其他线程叫醒（signal）或者中断（抛出中断异常）。如果超过截止时间，则线程自己醒来执行下面的代码。
只是这里传入的参数直接是一个截止时间，不再像上面一样需要计算一个截止时间。
测试代码如下：
@Slf4j(topic = "s")
public class AwaitTest4 {
static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
static Condition condition = lock.newCondition();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// t1线程 因为某条件不满足 进入等待队列
Thread thread = new Thread(() -> {
try {
lock.lock();
log.debug("因为某些条件无法满足，进入等待");
Calendar calendar = Calendar.getInstance();
calendar.add(Calendar.SECOND, 5);
condition.awaitUntil(calendar.getTime());//5秒
log.debug("条件满足了被唤醒，或超时，开始工作");
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}, "t1");
thread.start();
}
}
控制台输出如下：
3.5 await(long time, TimeUnit unit)
该方法传入等待的时间，和时间单位，相比较于awaitNanos(long nanosTimeout)方法更加的灵活。时间和时间单位进行配合。计算一个截止时间，作用和上面两个方法一样。
测试代码如下：
@Slf4j(topic = "s")
public class AwaitTest5 {
static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
static Condition condition = lock.newCondition();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// t1线程 因为某条件不满足 进入等待队列
Thread thread = new Thread(() -> {
try {
lock.lock();
log.debug("因为某些条件无法满足，进入等待");
condition.await(5, TimeUnit.SECONDS);//5秒
log.debug("条件满足了被唤醒，或超时，开始工作");
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}, "t1");
thread.start();
}
}
控制台输出如下：
4. 5种await方法的源码分析
通过第三部分的方法使用介绍，相信读者已经掌握了这5种方法是如何使用的，以及使用的区别。下面来分析分析底层源码是如何实现的。
4.1 await()
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首先判断是否中断过，如果发生过中断，那么就会抛出异常。
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调用addConditionWaiter方法将当前线程封装成Node结点，并加入到等待队列的末尾。
- addConditionWaiter的代码如下
当队尾结点不属于等待状态的时候，则调用unlinkCanceledWaiters()将不处于等待状态的所有结点从等待队列中移除，具体的代码如下：
- addConditionWaiter的代码如下
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接着调用fullyRelease释放锁，并记录下状态值。说明await()的线程不再持有锁，这一点和Object中的wait方法是一样的。
- fullyRelease代码如下，立马调用了release方法释放锁的过程，之前的博客中介绍过，不再赘述。
- fullyRelease代码如下，立马调用了release方法释放锁的过程，之前的博客中介绍过，不再赘述。
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调用isOnSyncQueue判断是否在同步队列上，如果当前结点不在同步队列上，说明他在等待队列上，将其阻塞。这里用while循环是为了，等它下次醒来之后再一次的判断是否在同步队列上，如果还是不在同步队列，说明他还在等待队列当中。它就需要继续等待，将其阻塞。
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等到他下次被唤醒了，会调用checkInterruptWhileWaiting，判断在阻塞期间是否发生了中断。如果发生了中断，说明取消等待。代码如下：
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如果发生了中断，那么则会调用transferAfterCanceledWait方法
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transferAfterCanceledWait方法有两种情况
第一种：在调用signal唤醒之前取消，那么就可以cas成功，将结点的状态更新，然后将其转移到同步队列，返回true。
第二种：在调用signal之后发生了中断，那么就返回false。此处的while循环是为了确保signal方法执行的时候将结点顺利转移到同步队列。signal方法的执行逻辑后面会讲。
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总结：在signal调用前发生了中断，会返回抛出异常的标记THROW_IE，在signal调用后发生了中断会返回重新中断的标记REINTERRUPT。
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再接着就是调用acquireQueued方法，此时的结点一定在同步队列上了，所以该方法的执行逻辑，就和之前博客中介绍过的同步阻塞的结点抢锁的逻辑一样。不清楚的读者可以回看之前的博客。
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之后就是，判断当前结点的nextWaiter是否为空，如果不为空的话，调用unlinkCancelledWaiters()将取消等待的结点从等待队列中移除。
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最后判断interruptMode响应中断的模式，如果不等于0的话，说明发生过中断。要么抛出异常，要么重新中断。
4.2 awaitUninterruptibly()
分析过await方法的源码，再来看接下来的源码就比较容易了。该方法与await的主要区别在于，不可中断。所以如果发生了中断，并不会抛出异常，只有一个措施就是重新中断（中断补偿）。下面来看看代码：
大致逻辑基本相同，仅仅在发生中断的处理上不太一样。此处不需要记录响应中断的模式，无论结点是在同步队列还是等待队列上发生的中断，都采取中断补偿的机制。
4.3 awaitNanos(long nanosTimeout)
该方法让线程在一个时间范围内等待，超过这个时间范围，那么就会自己醒来。源码实现如下：
根据传入的参数，计算出等待的截止时间，逻辑和前面的都差不多。
最主要的区别，在于红色框框的部分，while循环的条件是结点在等待队列上。如果剩余等待时间nanosTimeout小于等于0，那么它就会取消等待，调用transferAfterCanelledWait方法进行队列转移，转移到同步队列上。
如果剩余时间大于spinForTimeoutThreshold，那么该线程会阻塞。这里设置一个阈值，是为了避免时间过短，导致频繁的系统调用（阻塞，唤醒）。
4.4 awaitUntil(Date deadline)
该方法和上面的几乎一样，只是不需要计算截止时间，传入的参数就是截止的时间。
4.5 await(long time, TimeUnit unit)
该方法可以说是awaitNanos(long time)的升级版吧，根据时间单位和传入的数字，转换成纳秒时长。之后的逻辑都一样的。
5. signal和signalAll的源码分析
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signal源码分析
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调用isHeldExclusively()判断当前线程是否是锁的持有者。如果不是的话，抛出异常。
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拿到等待队列中的第一个结点，如果不为空则调用doSignal方法，实现唤醒线程。
doSignal方法如下：
- 将头结点从等待队列中移除，更新队列的头结点。
- 让尝试转移first结点。因为是多线程，所以可能执行到这里的时候，first结点已经转移了。那么就要将first指针指向新的头结点。尝试唤醒新的头结点。
- 这就是这do-while循环的意图。
transferForSignal方法如下：
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尝试CAS修改结点的状态，如果失败了返回false。说明该结点已经转移了。
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如果修改成功。那么就调用enq方法，将结点从等待队列转移到同步队列，enq方法会返回node结点的前驱。
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然后判断前驱结点p的ws。此处分2种情况。
第一种：ws大于0，说明这个结点是一个取消状态的结点，那么就可以唤醒当前node结点的线程。
第二种：ws<=0,CAS修改前驱结点的状态为-1。如果修改失败了，说明它本身结点的状态就是-1了。那么此时它有义务唤醒后继结点，也就是唤醒当前node结点的额线程。
以上就是signal方法的源码，比较的简单。
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signalAll源码分析
这里和上面的逻辑是一样的。只是内部调用的方法不一样，主要来看看doSignalAll方法的不同。
该方法的逻辑也很简单，从头结点开始，一个一个的将等待队列当中的结点转移到同步队列当中。