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Java AQS Condition的实现分析

本文整理自《Java并发编程的艺术》第五章 作者:方腾飞 魏鹏 程晓明

AQS:AbstractQueuedSynchronizer

ConditionObject是同步器AQS的内部类,因为Condition的操作需要获取相关联的锁,所以作为同步器的内部类也较为合理。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。

下面将分析Condition的实现,主要包括:等待队列、等待和通知,下面提到的Condition如果不加说明均指的是ConditionObject。

1、等待队列

等待队列是一个FIFO的队列,在队列中的每个节点都包含了一个线程引用,该线程就是在Condition对象上等待的线程,如果一个线程调用了Condition.await()方法,那么该线程将会释放锁、构造成节点加入等待队列并进入等待状态。事实上,节点的定义复用了同步器中节点的定义,也就是说,同步队列和等待队列中节点类型都是同步器的静态内部类AbstractQueuedSynchronizer.Node。

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,等待队列的基本结构如图5-9所示。

如图所示,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。上述节点引用更新的过程并没有使用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,也就是说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,而并发包中的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,其对应关系如图5-10所示。

2、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。

Condition的await()方法,如下所示:

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public final void await() throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
// 当前线程加入等待队列
Node node = addConditionWaiter();
// 释放同步状态,也就是释放锁
int savedState = fullyRelease(node);
int interruptMode = 0;
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)
unlinkCancelledWaiters();
if (interruptMode != 0)
reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}

调用该方法的线程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。

如果从队列的角度去看,当前线程加入Condition的等待队列,该过程如图5-11示。

如图所示,同步队列的首节点并不会直接加入等待队列,而是通过addConditionWaiter()方法把当前线程构造成一个新的节点并将其加入等待队列中。

3、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。

Condition的signal()方法,如代码清单5-23所示。

代码清单5-23 ConditionObject的signal方法

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public final void signal() {
//isHeldExclusively() AQS 子类实现
if (!isHeldExclusively())
throw new IllegalMonitorStateException();
Node first = firstWaiter;
if (first != null)
doSignal(first);
}

调用该方法的前置条件是当前线程必须获取了锁,可以看到signal()方法进行了isHeldExclusively()检查,也就是当前线程必须是获取了锁的线程。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。

节点从等待队列移动到同步队列的过程如图5-12所示。


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。当节点移动到同步队列后,当前线程再使用LockSupport唤醒该节点的线程。

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,效果就是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。

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