死磕 java同步系列之ReentrantLock源碼解析（二）——條件鎖

時間  2019-12-01
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問題

（1）條件鎖是什麼？java

（2）條件鎖適用於什麼場景？node

（3）條件鎖的await()是在其它線程signal()的時候喚醒的嗎？git

簡介

條件鎖，是指在獲取鎖以後發現當前業務場景本身沒法處理，而須要等待某個條件的出現才能夠繼續處理時使用的一種鎖。源碼分析

好比，在阻塞隊列中，當隊列中沒有元素的時候是沒法彈出一個元素的，這時候就須要阻塞在條件notEmpty上，等待其它線程往裏面放入一個元素後，喚醒這個條件notEmpty，當前線程才能夠繼續去作「彈出一個元素」的行爲。學習

注意，這裏的條件，必須是在獲取鎖以後去等待，對應到ReentrantLock的條件鎖，就是獲取鎖以後才能調用condition.await()方法。ui

在java中，條件鎖的實現都在AQS的ConditionObject類中，ConditionObject實現了Condition接口，下面咱們經過一個例子來進入到條件鎖的學習中。this

使用示例

public class ReentrantLockTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 聲明一個重入鎖
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        // 聲明一個條件鎖
        Condition condition = lock.newCondition();

        new Thread(()->{
            try {
                lock.lock();  // 1
                try {
                    System.out.println("before await");  // 2
                    // 等待條件
                    condition.await();  // 3
                    System.out.println("after await");  // 10
                } finally {
                    lock.unlock();  // 11
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
        
        // 這裏睡1000ms是爲了讓上面的線程先獲取到鎖
        Thread.sleep(1000);
        lock.lock();  // 4
        try {
            // 這裏睡2000ms表明這個線程執行業務須要的時間
            Thread.sleep(2000);  // 5
            System.out.println("before signal");  // 6
            // 通知條件已成立
            condition.signal();  // 7
            System.out.println("after signal");  // 8
        } finally {
            lock.unlock();  // 9
        }
    }
}
複製代碼

上面的代碼很簡單，一個線程等待條件，另外一個線程通知條件已成立，後面的數字表明代碼實際運行的順序，若是你能把這個順序看懂基本條件鎖掌握得差很少了。spa

源碼分析

ConditionObject的主要屬性

public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
    /** First node of condition queue. */
    private transient Node firstWaiter;
    /** Last node of condition queue. */
    private transient Node lastWaiter;
}
複製代碼

能夠看到條件鎖中也維護了一個隊列，爲了和AQS的隊列區分，我這裏稱爲條件隊列，firstWaiter是隊列的頭節點，lastWaiter是隊列的尾節點，它們是幹什麼的呢？接着看。線程

lock.newCondition()方法

新建一個條件鎖。指針

// ReentrantLock.newCondition()
public Condition newCondition() {
    return sync.newCondition();
}
// ReentrantLock.Sync.newCondition()
final ConditionObject newCondition() {
    return new ConditionObject();
}
// AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject.ConditionObject()
public ConditionObject() { }
複製代碼

新建一個條件鎖最後就是調用的AQS中的ConditionObject類來實例化條件鎖。

condition.await()方法

condition.await()方法，代表如今要等待條件的出現。

// AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject.await()
public final void await() throws InterruptedException {
    // 若是線程中斷了，拋出異常
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    // 添加節點到Condition的隊列中，並返回該節點
    Node node = addConditionWaiter();
    // 徹底釋放當前線程獲取的鎖
    // 由於鎖是可重入的，因此這裏要把獲取的鎖所有釋放
    int savedState = fullyRelease(node);
    int interruptMode = 0;
    // 是否在同步隊列中
    while (!isOnSyncQueue(node)) {
        // 阻塞當前線程
        LockSupport.park(this);
        
        // 上面部分是調用await()時釋放本身佔有的鎖，並阻塞本身等待條件的出現
        // *************************分界線************************* //
        // 下面部分是條件已經出現，嘗試去獲取鎖
        
        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
            break;
    }
    
    // 嘗試獲取鎖，注意第二個參數，這是上一章分析過的方法
    // 若是沒獲取到會再次阻塞（這個方法這裏就不貼出來了，有興趣的翻翻上一章的內容）
    if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
        interruptMode = REINTERRUPT;
    // 清除取消的節點
    if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
        unlinkCancelledWaiters();
    // 線程中斷相關
    if (interruptMode != 0)
        reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}
// AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject.addConditionWaiter
private Node addConditionWaiter() {
    Node t = lastWaiter;
    // 若是條件隊列的尾節點已取消，從頭節點開始清除全部已取消的節點
    if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
        unlinkCancelledWaiters();
        // 從新獲取尾節點
        t = lastWaiter;
    }
    // 新建一個節點，它的等待狀態是CONDITION
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
    // 若是尾節點爲空，則把新節點賦值給頭節點（至關於初始化隊列）
    // 不然把新節點賦值給尾節點的nextWaiter指針
    if (t == null)
        firstWaiter = node;
    else
        t.nextWaiter = node;
    // 尾節點指向新節點
    lastWaiter = node;
    // 返回新節點
    return node;
}
// AbstractQueuedSynchronizer.fullyRelease
final int fullyRelease(Node node) {
    boolean failed = true;
    try {
        // 獲取狀態變量的值，重複獲取鎖，這個值會一直累加
        // 因此這個值也表明着獲取鎖的次數
        int savedState = getState();
        // 一次性釋放全部得到的鎖
        if (release(savedState)) {
            failed = false;
            // 返回獲取鎖的次數
            return savedState;
        } else {
            throw new IllegalMonitorStateException();
        }
    } finally {
        if (failed)
            node.waitStatus = Node.CANCELLED;
    }
}
// AbstractQueuedSynchronizer.isOnSyncQueue
final boolean isOnSyncQueue(Node node) {
    // 若是等待狀態是CONDITION，或者前一個指針爲空，返回false
    // 說明尚未移到AQS的隊列中
    if (node.waitStatus == Node.CONDITION || node.prev == null)
        return false;
    // 若是next指針有值，說明已經移到AQS的隊列中了
    if (node.next != null) // If has successor, it must be on queue
        return true;
    // 從AQS的尾節點開始往前尋找看是否能夠找到當前節點，找到了也說明已經在AQS的隊列中了
    return findNodeFromTail(node);
}
複製代碼

這裏有幾個難理解的點：

（1）Condition的隊列和AQS的隊列不徹底同樣；

AQS的隊列頭節點是不存在任何值的，是一個虛節點；

Condition的隊列頭節點是存儲着實實在在的元素值的，是真實節點。
複製代碼

（2）各類等待狀態（waitStatus）的變化；

首先，在條件隊列中，新建節點的初始等待狀態是CONDITION（-2）；

其次，移到AQS的隊列中時等待狀態會更改成0（AQS隊列節點的初始等待狀態爲0）；

而後，在AQS的隊列中若是須要阻塞，會把它上一個節點的等待狀態設置爲SIGNAL（-1）；

最後，無論在Condition隊列仍是AQS隊列中，已取消的節點的等待狀態都會設置爲CANCELLED（1）；

另外，後面咱們在共享鎖的時候還會講到另一種等待狀態叫PROPAGATE（-3）。
複製代碼

（3）類似的名稱；

AQS中下一個節點是next，上一個節點是prev；

Condition中下一個節點是nextWaiter，沒有上一個節點。
複製代碼

若是弄明白了這幾個點，看懂上面的代碼仍是輕鬆加愉快的，若是沒弄明白，彤哥這裏指出來了，但願您回頭再看看上面的代碼。

下面總結一下await()方法的大體流程：

（1）新建一個節點加入到條件隊列中去；

（2）徹底釋放當前線程佔有的鎖；

（3）阻塞當前線程，並等待條件的出現；

（4）條件已出現（此時節點已經移到AQS的隊列中），嘗試獲取鎖；

也就是說await()方法內部實際上是先釋放鎖->等待條件->再次獲取鎖的過程。

condition.signal()方法

condition.signal()方法通知條件已經出現。

// AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject.signal
public final void signal() {
    // 若是不是當前線程佔有着鎖，調用這個方法拋出異常
    // 說明signal()也要在獲取鎖以後執行
    if (!isHeldExclusively())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    // 條件隊列的頭節點
    Node first = firstWaiter;
    // 若是有等待條件的節點，則通知它條件已成立
    if (first != null)
        doSignal(first);
}
// AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject.doSignal
private void doSignal(Node first) {
    do {
        // 移到條件隊列的頭節點日後一位
        if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
            lastWaiter = null;
        // 至關於把頭節點從隊列中出隊
        first.nextWaiter = null;
        // 轉移節點到AQS隊列中
    } while (!transferForSignal(first) &&
             (first = firstWaiter) != null);
}
// AbstractQueuedSynchronizer.transferForSignal
final boolean transferForSignal(Node node) {
    // 把節點的狀態更改成0，也就是說即將移到AQS隊列中
    // 若是失敗了，說明節點已經被改爲取消狀態了
    // 返回false，經過上面的循環可知會尋找下一個可用節點
    if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
        return false;

    // 調用AQS的入隊方法把節點移到AQS的隊列中
    // 注意，這裏enq()的返回值是node的上一個節點，也就是舊尾節點
    Node p = enq(node);
    // 上一個節點的等待狀態
    int ws = p.waitStatus;
    // 若是上一個節點已取消了，或者更新狀態爲SIGNAL失敗（也是說明上一個節點已經取消了）
    // 則直接喚醒當前節點對應的線程
    if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
        LockSupport.unpark(node.thread);
    // 若是更新上一個節點的等待狀態爲SIGNAL成功了
    // 則返回true，這時上面的循環不成立了，退出循環，也就是隻通知了一個節點
    // 此時當前節點仍是阻塞狀態
    // 也就是說調用signal()的時候並不會真正喚醒一個節點
    // 只是把節點從條件隊列移到AQS隊列中
    return true;
}
複製代碼

signal()方法的大體流程爲：

（1）從條件隊列的頭節點開始尋找一個非取消狀態的節點；

（2）把它從條件隊列移到AQS隊列；

（3）且只移動一個節點；

注意，這裏調用signal()方法後並不會真正喚醒一個節點，那麼，喚醒一個節點是在啥時候呢？

還記得開頭例子嗎？倒回去再好好看看，signal()方法後，最終會執行lock.unlock()方法，此時纔會真正喚醒一個節點，喚醒的這個節點若是曾經是條件節點的話又會繼續執行await()方法「分界線」下面的代碼。

結束了，仔細體會下^^

若是非要用一個圖來表示的話，我想下面這個圖能夠大體表示一下（這裏是用時序圖畫的，可是實際並不能算做一個真正的時序圖哈，瞭解就好）：

ReentrantLock

總結

（1）重入鎖是指可重複獲取的鎖，即一個線程獲取鎖以後再嘗試獲取鎖時會自動獲取鎖；

（2）在ReentrantLock中重入鎖是經過不斷累加state變量的值實現的；

（3）ReentrantLock的釋放要跟獲取匹配，即獲取了幾回也要釋放幾回；

（4）ReentrantLock默認是非公平模式，由於非公平模式效率更高；

（5）條件鎖是指爲了等待某個條件出現而使用的一種鎖；

（6）條件鎖比較經典的使用場景就是隊列爲空時阻塞在條件notEmpty上；

（7）ReentrantLock中的條件鎖是經過AQS的ConditionObject內部類實現的；

（8）await()和signal()方法都必須在獲取鎖以後釋放鎖以前使用；

（9）await()方法會新建一個節點放到條件隊列中，接着徹底釋放鎖，而後阻塞當前線程並等待條件的出現；

（10）signal()方法會尋找條件隊列中第一個可用節點移到AQS隊列中；

（11）在調用signal()方法的線程調用unlock()方法才真正喚醒阻塞在條件上的節點（此時節點已經在AQS隊列中）；

（12）以後該節點會再次嘗試獲取鎖，後面的邏輯與lock()的邏輯基本一致了。

彩蛋

爲何java有自帶的關鍵字synchronized了還須要實現一個ReentrantLock呢？

首先，它們都是可重入鎖；

其次，它們都默認是非公平模式；

而後，...，呃，咱們下一章繼續深刻探討 ReentrantLock VS synchronized。

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