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详解 Java Condition 的 await 和 signal 等待通知机制 |
等待通知条件Condition |
Condition是Java并发工具包java.util.concurrent.locks中的一个接口，它提供了一种更灵活的线程同步机制。与Object类中的wait(), notify(), 和 notifyAll()方法相比，Condition为多线程间的协调和通信提供了更强大的功能。 |
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关于等待通知条件 Condition 我们在前面讲 ReentrantLock 的时候提到过，不知道大家还记得不？
每个对象都可以调用 Object 的 wait/notify 方法来实现等待/通知机制。而 Condition 接口也提供了类似的方法。
Condition 接口一共提供了以下 7 个方法：
await()：线程等待直到被通知或者中断。类似于Object.wait()。awaitUninterruptibly()：线程等待直到被通知，即使在等待时被中断也不会返回。没有与之对应的 Object 方法。await(long time, TimeUnit unit)：线程等待指定的时间，或被通知，或被中断。类似于Object.wait(long timeout)，但提供了更灵活的时间单位。awaitNanos(long nanosTimeout)：线程等待指定的纳秒时间，或被通知，或被中断。没有与之对应的 Object 方法。awaitUntil(Date deadline)：线程等待直到指定的截止日期，或被通知，或被中断。没有与之对应的 Object 方法。signal()：唤醒一个等待的线程。类似于Object.notify()。signalAll()：唤醒所有等待的线程。类似于Object.notifyAll()。
我们再来回顾一下 Object 类的主要方法：
wait()：线程等待直到被通知或者中断。wait(long timeout)：线程等待指定的时间，或被通知，或被中断。wait(long timeout, int nanos)：线程等待指定的时间，或被通知，或被中断。notify()：唤醒一个等待的线程。notifyAll()：唤醒所有等待的线程。
要想深入理解 Condition 的实现原理，就需要挖掘一下 Condiiton 的源码。
创建一个 Condition 对象可以通过lock.newCondition() 来创建，这个方法实际上会 new 一个 ConditionObject 的对象，ConditionObject 是 AQS 的一个内部类，我们就拿 ReentrantLock 来举例说明吧。
public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
final ConditionObject newCondition() {
return new ConditionObject();
}
}
public Condition newCondition() {
return sync.newCondition();
}
}前面我们学过，AQS 内部维护了一个先进先出（FIFO）的双端队列，并使用了两个引用 head 和 tail 用于标识队列的头部和尾部。
Condition 内部也使用了同样的方式，内部维护了一个先进先出（FIFO）的单向队列，我们把它称为等待队列。
所有调用 await 方法的线程都会加入到等待队列中，并且线程状态均为等待状态。firstWaiter 指向首节点，lastWaiter 指向尾节点，源码如下：
public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = 1173984872572414699L;
/** First node of condition queue. */
private transient Node firstWaiter;
/** Last node of condition queue. */
private transient Node lastWaiter;
}Node 中的 nextWaiter 指向队列中的下一个节点。并且进入到等待队列的 Node 节点状态都会被设置为 CONDITION（下面的 demo 中可以看得到）。
上面提到，Condition 的等待队列是一个单向队列，我们用一个 demo 通过 debug 的方式验证下。
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
Thread thread = new Thread(() -> {
lock.lock();
try {
condition.await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}finally {
lock.unlock();
}
});
thread.start();
}
}这段代码没有任何实际意义，甚至很臭。新建了 10 个线程，没有线程先获取锁，然后调用 condition.await 方法释放锁将当前线程加入到等待队列中，通过 debug 走到第 10 个线程的时候，查看firstWaiter即等待队列中的头节点：
从这个图我们可以很清楚的看到这样 2 点：
- 调用 condition.await 方法后线程依次尾插入到了等待队列中，依次为 Thread-0,Thread-1,Thread-2....Thread-8；
- 等待队列是一个单向队列。示意图如下：
同时还有一点需要注意：我们可以多次调用newCondition()方法创建多个 Condition 对象，也就是一个 lock 可以持有多个等待队列。
而如果是 Object 方式的话，就只能有一个同步队列和一个等待队列。
因此，ReentrantLock 等 AQS 是可以持有一个同步队列和多个等待队列的，new 多个 Condition 就行了。示意图如下：
持有多个等待队列的好处是什么呢？我们可以通过下面这个例子来说明：
public class BoundedBuffer<T> {
private final LinkedList<T> buffer; // 使用 LinkedList 作为缓冲区
private final int capacity; // 缓冲区最大容量
private final ReentrantLock lock; // 互斥锁
private final Condition notEmpty; // 缓冲区非空条件
private final Condition notFull; // 缓冲区非满条件
public BoundedBuffer(int capacity) {
this.capacity = capacity;
this.buffer = new LinkedList<>();
this.lock = new ReentrantLock();
this.notEmpty = lock.newCondition();
this.notFull = lock.newCondition();
}
// 放入一个元素
public void put(T item) throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
// 如果缓冲区满，等待
while (buffer.size() == capacity) {
notFull.await();
}
buffer.add(item);
// 通知可能正在等待的消费者
notEmpty.signal();
} finally {
lock.unlock();
}
}
// 取出一个元素
public T take() throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
// 如果缓冲区空，等待
while (buffer.isEmpty()) {
notEmpty.await();
}
T item = buffer.removeFirst();
// 通知可能正在等待的生产者
notFull.signal();
return item;
} finally {
lock.unlock();
}
}
}考虑这个简单的有界缓冲区 BoundedBuffer，其中生产者放入元素，消费者取出元素。我们将使用两个 Condition：一个表示缓冲区不为空（用于消费者等待），另一个表示缓冲区不满（用于生产者等待）。
生产者调用 put 方法放入元素，如果缓冲区已满，则等待 notFull 条件。消费者调用 take 方法取出元素，如果缓冲区为空，则等待 notEmpty 条件。当一个元素被放入或取出时，相应的条件会发出信号，唤醒等待的线程。
使用多个 Condition 对象的主要优点是为锁提供了更细粒度的控制，可以实现更复杂的同步场景，比如上面提到的有界缓冲区。
好，接下来，我们来继续分析 Condition 的源码。
当调用condition.await()方法后会使当前获取锁的线程进入到等待队列，如果该线程能够从 await() 方法返回的话，一定是该线程获取了与 Condition 相关联的锁。
前面讲过了，Condition 只是一个接口，它的实现类为 ConditionObject，是 AQS 的子类。
ConditionObject 的 await 方法源码如下：
public final void await() throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
// 1. 将当前线程包装成Node，尾插入到等待队列中
Node node = addConditionWaiter();
// 2. 释放当前线程所占用的lock，在释放的过程中会唤醒同步队列中的下一个节点
int savedState = fullyRelease(node);
int interruptMode = 0;
while (!isOnSyncQueue(node)) {
// 3. 当前线程进入到等待状态
LockSupport.park(this);
if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
break;
}
// 4. 自旋等待获取到同步状态（即获取到lock）
if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
interruptMode = REINTERRUPT;
if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
unlinkCancelledWaiters();
// 5. 处理被中断的情况
if (interruptMode != 0)
reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}代码的主要逻辑请看注释。当前线程调用condition.await()方法后，会释放 lock 然后加入到等待队列，直到被 signal/signalAll 方法唤醒。
大家可能会有这样几个问题：
- 怎样将当前线程添加到等待队列中？
- 释放锁的过程是？
- 怎样才能从 await 方法中退出？
上面这段代码就告诉了我们这三个问题的答案。
调用 addConditionWaiter 方法会将当前线程添加到等待队列中，源码如下：
private Node addConditionWaiter() {
Node t = lastWaiter;
if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
//将不处于等待状态的节点从等待队列中移除
unlinkCancelledWaiters();
t = lastWaiter;
}
Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
//尾节点为空
if (t == null)
//将首节点指向node
firstWaiter = node;
else
//将尾节点的nextWaiter指向node节点
t.nextWaiter = node;
//尾节点指向node
lastWaiter = node;
return node;
}首先将 t 指向尾节点，如果尾节点不为空并且它的waitStatus!=-2（-2 为 CONDITION，表示正在等待 Condition 条件），则将不处于等待状态的节点从等待队列中移除，并且将 t 指向新的尾节点。
然后将当前线程封装成 waitStatus 为-2 的节点追加到等待队列尾部。
如果尾节点为空，则表明队列为空，将首尾节点都指向当前节点。
如果尾节点不为空，表明队列中有其他节点，则将当前尾节点的 nextWaiter 指向当前节点，将当前节点置为尾节点。
简单总结一下，这段代码的作用就是通过尾插入的方式将当前线程封装的 Node 插入到等待队列中，同时可以看出，Condtion 的等待队列是一个不带头节点的链式队列，之前我们学习 AQS 时知道同步队列是一个带头节点的链式队列，这是两者的一个区别。
关于头节点的作用，我们这里简单说明一下。
不带头节点是指在链表数据结构中，链表的第一个节点就是实际存储的第一个数据元素，而不是一个特定的"头"节点，该节点不包含实际的数据。
1）不带头节点的链表：
- 链表的第一个节点就是第一个实际的数据节点。
- 当链表为空时，头引用（通常称为 head）指向 null。
2）带头节点的链表：
- 链表有一个特殊的节点作为链表的开头，这个特殊的节点称为头节点。
- 头节点通常不存储任何实际数据，或者它的数据字段不被使用。
- 无论链表是否为空，头节点总是存在的。当链表为空时，头节点的下一个节点指向 null。
- 使用头节点可以简化某些链表操作，因为你不必特殊处理第一个元素的插入和删除。
为了更好地解释这两种链表结构，我将为每种结构提供一个简单的整数链表插入方法的示例。
1）不带头节点的链表
public class Node {
public int data;
public Node next;
public Node(int data) {
this.data = data;
this.next = null;
}
}
public class LinkedListWithoutHead {
public Node head;
public void insert(int value) {
Node newNode = new Node(value);
if (head == null) {
head = newNode;
} else {
Node temp = head;
while (temp.next != null) {
temp = temp.next;
}
temp.next = newNode;
}
}
}2）带头节点的链表
public class NodeWithHead {
public int data;
public NodeWithHead next;
public NodeWithHead(int data) {
this.data = data;
this.next = null;
}
}
public class LinkedListWithHead {
private NodeWithHead head;
public LinkedListWithHead() {
head = new NodeWithHead(-1); // 初始化头节点
}
public void insert(int value) {
NodeWithHead newNode = new NodeWithHead(value);
NodeWithHead temp = head;
while (temp.next != null) {
temp = temp.next;
}
temp.next = newNode;
}
}这下是不是就彻底明白了？说明白了头节点，我们再回到 Condition 的 await 方法。
将当前节点插入到等待对列之后，会使当前线程释放 lock，由 fullyRelease 方法实现，源码如下：
final int fullyRelease(Node node) {
//释放锁失败为true，释放锁成功为false
boolean failed = true;
try {
//获取当前锁的state
int savedState = getState();
//释放锁成功的话
if (release(savedState)) {
failed = false;
return savedState;
} else {
throw new IllegalMonitorStateException();
}
} finally {
if (failed)
//释放锁失败的话将节点状态置为取消
node.waitStatus = Node.CANCELLED;
}
}这段代码也很容易理解，调用 AQS 的模板方法 release 释放 AQS 的同步状态并且唤醒在同步队列中头节点的后继节点引用的线程，如果释放成功则正常返回，若失败的话就抛出异常。
怎样从 await 方法退出呢？现在回过头再来看 await 方法，其中有这样一段逻辑：
while (!isOnSyncQueue(node)) {
// 3. 当前线程进入到等待状态
LockSupport.park(this);
if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
break;
}isOnSyncQueue 方法用于判断当前线程所在的 Node 是否在同步队列中。
如果当前节点的 waitStatus=-2，说明它在等待队列中，返回 false；如果当前节点有前驱节点，则证明它在 AQS 队列中，但是前驱节点为空，说明它是头节点，而头节点是不参与锁竞争的，也返回 false。
如果当前节点既不在等待队列中，又不是 AQS 中的头节点且存在 next 节点，说明它存在于 AQS 中，直接返回 true。
这里有必要给大家看一下同步队列与等待队列的关系图了。
当线程第一次调用 condition.await 方法时，会进入到这个 while 循环，然后通过 LockSupport.park(this) 使当前线程进入等待状态，那么要想退出 await，第一个前提条件就是要先退出这个 while 循环，出口就只两个地方：
- 走到 break 退出 while 循环；
- while 循环中的逻辑判断为 false。
出现第 1 种情况的条件是，当前等待的线程被中断后代码会走到 break 退出，第 2 种情况是当前节点被移动到了同步队列中（即另外一个线程调用了 condition 的 signal 或者 signalAll 方法），while 中逻辑判断为 false 后结束 while 循环。
总结一下，退出 await 方法的前提条件是当前线程被中断或者调用 condition.signal 或者 condition.signalAll 使当前节点移动到同步队列后。
当退出 while 循环后会调用acquireQueued(node, savedState)，该方法的作用是在自旋过程中线程不断尝试获取同步状态，直到成功（线程获取到 lock）。这样也说明了退出 await 方法必须是已经获得了 condition 引用（关联）的 lock。
到目前为止，上文提到的三个问题，我们都通过阅读源码的方式找到了答案，也加深了对 await 方法的理解。await 方法示意图如下：
如图，调用 condition.await 方法的线程必须是已经获得了 lock 的线程，也就是当前线程是同步队列中的头节点。调用该方法后会使得当前线程所封装的 Node 尾插入到等待队列中。
超时机制的支持
condition 还额外支持超时机制，使用者可调用 awaitNanos、awaitUtil 这两个方法，实现原理基本上与 AQS 中的 tryAcquire 方法如出一辙。
不响应中断的支持
要想不响应中断可以调用 condition.awaitUninterruptibly() 方法，该方法的源码如下：
public final void awaitUninterruptibly() {
Node node = addConditionWaiter();
int savedState = fullyRelease(node);
boolean interrupted = false;
while (!isOnSyncQueue(node)) {
LockSupport.park(this);
if (Thread.interrupted())
interrupted = true;
}
if (acquireQueued(node, savedState) || interrupted)
selfInterrupt();
}这段方法与上面的 await 方法基本一致，只不过减少了对中断的处理。
调用 condition 的 signal 或者 signalAll 方法可以将等待队列中等待时间最长的节点移动到同步队列中，使得该节点能够有机会获得 lock。等待队列是先进先出（FIFO）的，所以等待队列的头节点必然会是等待时间最长的节点，也就是每次调用 condition 的 signal 方法都会将头节点移动到同步队列中。
我们来通过看源码的方式验证这个猜想是不是正确的，signal 方法源码如下：
public final void signal() {
//1. 先检测当前线程是否已经获取lock
if (!isHeldExclusively())
throw new IllegalMonitorStateException();
//2. 获取等待队列中第一个节点，之后的操作都是针对这个节点
Node first = firstWaiter;
if (first != null)
doSignal(first);
}signal 方法首先会检测当前线程是否已经获取了 lock，如果没有获取 lock 会直接抛出异常，如果获取的话，再得到等待队列的头节点，之后的 doSignal 方法也是基于该节点。下面我们来看看 doSignal 方法做了些什么事情，doSignal 方法源码如下：
private void doSignal(Node first) {
do {
if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
lastWaiter = null;
//1. 将头节点从等待队列中移除
first.nextWaiter = null;
//2. while中transferForSignal方法对头节点做真正的处理
} while (!transferForSignal(first) &&
(first = firstWaiter) != null);
}具体逻辑请看注释，真正对头节点做处理的逻辑在transferForSignal方法中，该方法源码为：
final boolean transferForSignal(Node node) {
/*
* If cannot change waitStatus, the node has been cancelled.
*/
//1. 更新状态为0
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).
*/
//2.将该节点移入到同步队列中去
Node p = enq(node);
int ws = p.waitStatus;
if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
LockSupport.unpark(node.thread);
return true;
}关键逻辑请看注释，这段代码主要做了两件事情：
- 1.将头节点的状态更改为 CONDITION；
- 2.调用 enq 方法，将该节点尾插入到同步队列中，关于 enq 方法请看 AQS 的底层实现这篇文章。
现在我们可以得出如下结论：
调用 condition.signal 方法的前提条件是当前线程已经获取了 lock，该方法会使等待队列中的头节点即等待时间最长的那个节点移入到同步队列，而移入到同步队列后才有机会被唤醒，即从 await 方法中的 LockSupport.park(this) 方法中返回，才有机会让调用 await 方法的线程成功退出。
signal 执行示意图如下图：
signalAll
sigllAll 与 sigal 方法的区别体现在 doSignalAll 方法上，前面我们已经知道 doSignal 方法只会对等待队列的头节点进行操作，doSignalAll 的源码如下：
private void doSignalAll(Node first) {
lastWaiter = firstWaiter = null;
do {
Node next = first.nextWaiter;
first.nextWaiter = null;
transferForSignal(first);
first = next;
} while (first != null);
}该方法会将等待队列中的每一个节点都移入到同步队列中，即“通知”当前调用 condition.await() 方法的每一个线程。
文章开篇提到的等待/通知机制，通过 condition 的 await 和 signal/signalAll 方法就可以实现，而这种机制能够解决最经典的问题就是“生产者与消费者问题”，“生产者消费者问题”也是面试的高频考点，后面会细讲，戳链接直达。
await、signal 和 signalAll 方法就像一个开关，控制着线程 A（等待方）和线程 B（通知方）。它们之间的关系可以用下面这幅图来说明，会更贴切：
线程 awaitThread 先通过 lock.lock() 方法获取锁，成功后调用 condition.await 方法进入等待队列，而另一个线程 signalThread 通过 lock.lock() 方法获取锁成功后调用了 condition.signal 或者 signalAll 方法，使得线程 awaitThread 能够有机会移入到同步队列中，当其他线程释放 lock 后使得线程 awaitThread 能够有机会获取 lock，从而使得线程 awaitThread 能够从 await 方法中退出并执行后续操作。如果 awaitThread 获取 lock 失败会直接进入到同步队列。
我们用一个很简单的例子说说 condition 的用法：
public class AwaitSignal {
private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
private static Condition condition = lock.newCondition();
private static volatile boolean flag = false;
public static void main(String[] args) {
Thread waiter = new Thread(new waiter());
waiter.start();
Thread signaler = new Thread(new signaler());
signaler.start();
}
static class waiter implements Runnable {
@Override
public void run() {
lock.lock();
try {
while (!flag) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "当前条件不满足等待");
try {
condition.await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "接收到通知条件满足");
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
static class signaler implements Runnable {
@Override
public void run() {
lock.lock();
try {
flag = true;
condition.signalAll();
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
}输出结果为：
Thread-0当前条件不满足等待
Thread-0接收到通知，条件满足
开启了两个线程 waiter 和 signaler，waiter 线程开始执行的时候由于条件不满足，执行 condition.await 方法使该线程进入等待状态，同时释放锁，signaler 线程获取到锁之后更改条件，并通知所有的等待线程，然后释放锁。这时，waiter 线程获取到锁，由于 signaler 线程更改了条件，此时相对于 waiter 来说，条件满足，继续执行。
Condition 接口是 Java 并发编程中一个重要的组件，用于线程间的协调和通信。它通常与锁（特别是 ReentrantLock）一起使用，为线程提供了一种等待某个条件成真的机制，并允许其他线程在该条件变化时通知等待线程。这为线程间的协调提供了更灵活、更强大的工具。
编辑：沉默王二，编辑前的内容主要来自于 CL0610 的 GitHub 仓库https://github.com/CL0610/Java-concurrency，部分内容和图片来自读者阿 Q 说代码的这篇文章终于把Condition的原理讲透彻了，强烈推荐。
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