摘要:總結(jié)在一開是的例子中,假設(shè)有兩個(gè)線程,分別代表生產(chǎn)者和消費(fèi)者線程,生產(chǎn)消費(fèi)元素的隊(duì)列容量為。
什么是Condition
Condition必須要和獨(dú)占鎖一起使用,獨(dú)占鎖代替了原來的synchronized,Condition代替了原來的Object中的監(jiān)視器方法(wait, notify and notifyAll);一個(gè)Lock可以對應(yīng)多個(gè)Condition,這樣線程之間可以按照條件喚醒指定的線程,而不是簡單的notifyAll多有的線程,使得我們多線程編程的時(shí)候可以靈活的控制線程。
獨(dú)占鎖和Condition最經(jīng)典的配合使用就是ArrayBlockingQueue.java,典型的生產(chǎn)者消費(fèi)者問題:
/* * Concurrency control uses the classic two-condition algorithm * found in any textbook. */ /** Main lock guarding all access */ final ReentrantLock lock; /** Condition for waiting takes */ private final Condition notEmpty; /** Condition for waiting puts */ private final Condition notFull;
這是在許多教科書中能找到的經(jīng)典的雙Condition算法的并發(fā)控制,需要有一個(gè)獨(dú)占鎖ReentrantLock,然后再定義兩個(gè)Condition,notEmpty(隊(duì)列不是空的)表示可以從隊(duì)列中消費(fèi)元素的信號條件,notFull(隊(duì)列不是滿的)表示可以向隊(duì)列生產(chǎn)元素的信號條件。這兩個(gè)Condition都是調(diào)用了lock.newCondition()方法實(shí)例化的。
當(dāng)消費(fèi)者線程調(diào)用消費(fèi)方法take時(shí):
public E take() throws InterruptedException { final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lockInterruptibly(); try { //當(dāng)隊(duì)列的元素?cái)?shù)量為0時(shí),調(diào)用notEmpty.await,阻塞當(dāng)前的消費(fèi)線程 while (count == 0) notEmpty.await(); //dequeue中調(diào)用了notFull.signal(),通知生產(chǎn)者隊(duì)列還沒滿,可以生產(chǎn) return dequeue(); } finally { lock.unlock(); } }
當(dāng)生產(chǎn)者線程調(diào)用生產(chǎn)方法put時(shí):
public void put(E e) throws InterruptedException { checkNotNull(e); final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lockInterruptibly(); try { //當(dāng)隊(duì)列滿時(shí),調(diào)用notFull.await(),阻塞當(dāng)前生產(chǎn)線程,停止生產(chǎn) while (count == items.length) notFull.await(); //enqueue中調(diào)用了notEmpty.signal(),通知消費(fèi)者隊(duì)列里有元素,可以消費(fèi) enqueue(e); } finally { lock.unlock(); } }Condition的await
在AQS中有一個(gè)ConditionObject內(nèi)部類實(shí)現(xiàn)了Condition接口,其中有兩個(gè)成員變量:
/** First node of condition queue. */ private transient Node firstWaiter; /** Last node of condition queue. */ private transient Node lastWaiter;
Condition也有一個(gè)node隊(duì)列,firstWaiter、lastWaiter分別表示第一個(gè)和最后一個(gè)node。
先看await方法:
public final void await() throws InterruptedException { //如果線程設(shè)置中斷標(biāo)志,拋出中斷異常 if (Thread.interrupted()) throw new InterruptedException(); //往隊(duì)列添加node Node node = addConditionWaiter(); //完全釋放鎖,head的后繼節(jié)點(diǎn)將被喚醒,然后被移出sync隊(duì)列 int savedState = fullyRelease(node); int interruptMode = 0; //判斷當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是否在sync隊(duì)列中(當(dāng)condition調(diào)用signal是會將該節(jié)點(diǎn)放入Sync隊(duì)列),如果不在就park當(dāng)前線程,線程在這里開始等待被signal while (!isOnSyncQueue(node)) { LockSupport.park(this); //發(fā)送中斷時(shí)(喚醒了線程)break;checkInterruptWhileWaiting中調(diào)用了transferAfterCancelledWait(貼在下面),這個(gè)方法時(shí)檢測中斷是發(fā)生在signal之前還是之后 if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) break; } //當(dāng)前線程被signal后,調(diào)用acquireQueued搶占鎖,如果interruptMode不為拋出異常,設(shè)置為REINTERRUPT if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE) interruptMode = REINTERRUPT; if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled //從頭到尾移除取消的節(jié)點(diǎn) unlinkCancelledWaiters(); if (interruptMode != 0) //繼續(xù)中斷還是拋出異常 reportInterruptAfterWait(interruptMode); } final boolean transferAfterCancelledWait(Node node) { //首先CAS設(shè)置node狀態(tài)為0,如果成功說明中斷發(fā)生在signal之前(因?yàn)閟ignal會將node狀態(tài)設(shè)置為0) if (compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0)) { //將node入sync隊(duì)列 enq(node); return true; } /* * If we lost out to a signal(), then we can"t proceed * until it finishes its enq(). Cancelling during an * incomplete transfer is both rare and transient, so just * spin. */ //如果node不在sync隊(duì)列中,yield,讓出cpu while (!isOnSyncQueue(node)) Thread.yield(); //中斷發(fā)生在signal后 return false; }
分析一下addConditionWaiter:
private Node addConditionWaiter() { Node t = lastWaiter; // If lastWaiter is cancelled, clean out. //如果最后一個(gè)node被取消,清除node if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) { unlinkCancelledWaiters(); t = lastWaiter; } //新建一個(gè)node,持有當(dāng)前線程,狀態(tài)為CONDITION Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION); if (t == null) //如果尾節(jié)點(diǎn)為null,說明condition隊(duì)列還是空的,將新建的node作為頭節(jié)點(diǎn) firstWaiter = node; else //如果condition隊(duì)列已經(jīng)存在,將新建的node作為尾節(jié)點(diǎn)的next t.nextWaiter = node; //將新建node設(shè)置為尾節(jié)點(diǎn) lastWaiter = node; //返回新建的node return node; }
在這里我們可以看到Condition的隊(duì)列是一個(gè)單鏈表。
看一下unlinkCancelledWaiters,Condition所有操作都是在獲取鎖之后執(zhí)行的,所以不用考慮線程安全問題:
private void unlinkCancelledWaiters() { Node t = firstWaiter; Node trail = null; while (t != null) { Node next = t.nextWaiter; if (t.waitStatus != Node.CONDITION) { t.nextWaiter = null; if (trail == null) firstWaiter = next; else trail.nextWaiter = next; if (next == null) lastWaiter = trail; } else trail = t; t = next; } }
該方法從隊(duì)列頭開始往后遍歷所有node,移除已經(jīng)取消的node;
在新建了node后,調(diào)用了fullyRelease:
final int fullyRelease(Node node) { boolean failed = true; try { //保存當(dāng)前的state int savedState = getState(); //release(savedState)嘗試釋放鎖,這也是為什么叫fullyRelease if (release(savedState)) { failed = false; //返回之前保存的state return savedState; } else { throw new IllegalMonitorStateException(); } } finally { if (failed) //如果失敗,將當(dāng)前node設(shè)置為取消狀態(tài) node.waitStatus = Node.CANCELLED; } }
看一下release:
public final boolean release(int arg) { //嘗試釋放鎖,這里調(diào)用的是ReentrantLock實(shí)現(xiàn)的tryRelease,傳入的arg是當(dāng)前的state,所以會釋放成功,即state為0 if (tryRelease(arg)) { Node h = head; if (h != null && h.waitStatus != 0) //喚醒后繼節(jié)點(diǎn) unparkSuccessor(h); return true; } return false; }
下面的方法是判斷當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是否在Sync隊(duì)列中
final boolean isOnSyncQueue(Node node) { //如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)狀態(tài)為CONDITION或者節(jié)點(diǎn)前驅(qū)為null,說明該節(jié)點(diǎn)已經(jīng)在CONDITION隊(duì)列中,不在Syc隊(duì)列里 if (node.waitStatus == Node.CONDITION || node.prev == null) return false; //如果節(jié)點(diǎn)后繼不是null,那該節(jié)點(diǎn)一定在Syc隊(duì)列中 if (node.next != null) // If has successor, it must be on queue return true; /* * node.prev can be non-null, but not yet on queue because * the CAS to place it on queue can fail. So we have to * traverse from tail to make sure it actually made it. It * will always be near the tail in calls to this method, and * unless the CAS failed (which is unlikely), it will be * there, so we hardly ever traverse much. */ //此時(shí)節(jié)點(diǎn)入列的CAS動作可能失敗,所以要從尾部往前查找該節(jié)點(diǎn)再次確認(rèn) return findNodeFromTail(node); }Condition的signal
public final void signal() { //如果當(dāng)前線程不是當(dāng)前的獨(dú)占線程,拋出異常 if (!isHeldExclusively()) throw new IllegalMonitorStateException(); Node first = firstWaiter; if (first != null) //signal Condition隊(duì)列的第一個(gè)節(jié)點(diǎn) doSignal(first); } private void doSignal(Node first) { //如果transferForSignal失?。串?dāng)前節(jié)點(diǎn)取消)且下一個(gè)節(jié)點(diǎn)存在,while繼續(xù)loop do { //設(shè)置第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的next為firstWaiter,此時(shí)如果firstWaiter為null,說明隊(duì)列空了,將lastWaiter也設(shè)置為null if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null) lastWaiter = null; //設(shè)置第一個(gè)節(jié)點(diǎn)next為null,help GC first.nextWaiter = null; } while (!transferForSignal(first) && (first = firstWaiter) != null); } final boolean transferForSignal(Node node) { /* * If cannot change waitStatus, the node has been cancelled. */ //如果為node設(shè)置狀態(tài)失敗,說明node被取消,返回false 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). */ //將當(dāng)前node入列sync隊(duì)列,返回node的前繼 Node p = enq(node); int ws = p.waitStatus; //如果前繼的狀態(tài)為取消或者設(shè)置前繼狀態(tài)為SIGNAL失敗,當(dāng)前node線程unpark if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL)) LockSupport.unpark(node.thread); return true; }
signal后,Condition第一個(gè)節(jié)點(diǎn)將入列sync的隊(duì)列,等待搶占到鎖繼續(xù)執(zhí)行。
總結(jié)在一開是的例子中,假設(shè)有兩個(gè)線程P,C分別代表生產(chǎn)者和消費(fèi)者線程,生產(chǎn)消費(fèi)元素E的隊(duì)列Q容量為1。
C無限loop調(diào)用take,當(dāng)C搶占到獨(dú)占鎖,發(fā)現(xiàn)Q時(shí)空的,調(diào)用notEmpty.await(),線程C釋放鎖并且入列notEmpty隊(duì)列park,等待別的線程調(diào)用notEmpty.signal();
P無限loop調(diào)用put,當(dāng)P搶占到獨(dú)占鎖生產(chǎn)了一個(gè)E,調(diào)用notEmpty.signal()通知C,然后釋放了鎖;
C收到signal信號,入列SYC隊(duì)列,并且unpark,嘗試搶占獨(dú)占鎖,成功獲得獨(dú)占鎖后,消費(fèi)了一個(gè)E,然后調(diào)用notFull.signal();
P生產(chǎn)E時(shí)發(fā)現(xiàn)Q已滿(C還沒來得及消費(fèi)),調(diào)用notFull.await()線程P釋放鎖并且入列notFull隊(duì)列park,等待notFull.signal()通知自己unpark并入列AQS隊(duì)列去搶占獨(dú)占鎖進(jìn)行生產(chǎn);
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