科普文：JUC系列之多线程门闩同步器Condition的使用和源码解读

一、概述

条件锁就是指在获取锁之后发现当前业务场景自己无法处理，而需要等待某个条件的出现才可以继续处理时使用的一种锁。

比如，在阻塞队列中，当队列中没有元素的时候是无法弹出一个元素的，这时候就需要阻塞在条件notEmpty上，等待其它线程往里面放入一个元素后，唤醒这个条件notEmpty，当前线程才可以继续去做“弹出一个元素”的行为。

注意，这里的条件，必须是在获取锁之后去等待，对应到ReentrantLock的条件锁，就是获取锁之后才能调用condition.await()方法。

在Java中，条件锁的实现都在AQS的ConditionObject类中，ConditionObject实现了Condition接口，所以ReentrantLock的条件锁是基于AQS实现的。

sychronized + Object.wait = Lock + Condition

二、案例

public class ReentrantLockTest {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {// 声明一个重入锁ReentrantLock lock = new ReentrantLock();// 声明一个条件锁Condition condition = lock.newCondition();// 创建一个线程并执行，该线程就是当达到条件锁条件后，来执行后续的相关逻辑的。// 可以看作是一个消费者new Thread(() -> {try {// 获取锁lock.lock();  // 1try {System.out.println("before await");  // 2// 等待条件   // 该线程执行到这里就会进入到阻塞状态，直到达到了条件后，// 由其他线程执行signal()方法来告知该线程已经达到条件了，// 该线程就会在这里被唤醒继续向下执行condition.await();  // 3System.out.println("after await");  // 10} finally {// 释放锁lock.unlock();  // 11}} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}).start();// 这里睡1000ms是为了让上面的线程先获取到锁Thread.sleep(1000);// main方法的当前线程来获取锁，该线程就是用来进行相关业务处理，进而达到条件锁条件的。// 可以看作是一个生产者lock.lock();  // 4try {// 这里睡2000ms代表这个线程执行业务需要的时间，// 当完成这里的2000ms之后就认为是符合条件锁条件了Thread.sleep(2000);  // 5System.out.println("before signal");  // 6// 通知条件已成立condition.signal();  // 7System.out.println("after signal");  // 8} finally {// 释放锁lock.unlock();  // 9}}
}

上面的代码很简单，一个线程等待条件，另一个线程通知条件已成立，后面的数字代表代码实际运行的顺序。

由上面的例子我们也可以看出，await()和signal()方法都必须在获取锁之后释放锁之前使用；

三、源码分析

3.1 Condition接口

Condition是一个接口，从1.5的时候出现的，是用来替代Object的wait、notify。所以显而易见，Condition的await和signal肯定效率更高、安全性更好。Condition是依赖于lock实现的。并且await和signal只能在lock的保护之内使用。

package java.util.concurrent.locks;import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.Date;public interface Condition {//导致当前线程等到发信号或 interrupted 。void await() throws InterruptedException;//使当前线程等待直到发出信号void awaitUninterruptibly();//使当前线程等待直到发出信号或中断，或指定的等待时间过去。 long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;//使当前线程等待直到发出信号或中断，或指定的等待时间过去。 boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;//使当前线程等待直到发出信号或中断，或者指定的最后期限过去。 boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;//唤醒一个等待线程。 void signal();//唤醒所有等待线程。 void signalAll();
}

3.2 内部类

ConditionObject是Condition的实现类。

//AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject
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;//...
}

可以看到条件锁中也维护了一个队列，为了和AQS的队列区分，我这里称为条件队列，firstWaiter是队列的头节点，lastWaiter是队列的尾节点。

ConditionObject中的条件队列和AQS中的同步队列使用的是相同的节点类型Node，但是两个队列还是有一些不同的，在后续会详细讲解。

3.3 lock.newCondition()方法

新建一个条件锁。

• ReentrantLock.newCondition()
• ReentrantLock.Sync.newCondition()
• AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject.ConditionObject()

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {private final Sync sync;// 创建条件锁public Condition newCondition() {return sync.newCondition();}/*** 抽象内部类*/abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {// 条件锁final ConditionObject newCondition() {return new ConditionObject();}}
}// AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject.ConditionObject()
public ConditionObject() { }

新建一个条件锁最后就是调用的AQS中的ConditionObject类来实例化条件锁。

3.4 condition.await()方法

condition.await()方法，表明现在要等待条件的出现，只有满足条件之后获取锁的线程才可以继续向后执行。

await()方法会新建一个节点放到条件队列中，接着完全释放锁，然后阻塞当前线程并等待条件的出现；

// AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject.await()
public final void await() throws InterruptedException {// 如果线程中断了，抛出异常if (Thread.interrupted())throw new InterruptedException();// 添加节点到Condition的队列中，并返回该节点Node node = addConditionWaiter();// 完全释放当前线程获取的锁// 因为锁是可重入的，所以这里要把获取的锁全部释放int savedState = fullyRelease(node);/*** 中断标志，用来标识线程是否是被中断唤醒的* interruptMode = 0：表示不是被中断唤醒的* interruptMode != 0：表示是被中断唤醒的* interruptMode = REINTERRUPT = 1：表示当前线程在其他线程调用signal()之后被中断唤醒* interruptMode = THROW_IE = -1：表示当前线程在其他线程调用signal()之前被中断唤醒*/int interruptMode = 0;// 是否在同步队列中，如果该线程节点从条件队列移出到同步队列中，// 说明当前已经满足条件，线程已经被唤醒，则跳出循环while (!isOnSyncQueue(node)) {// 阻塞当前线程LockSupport.park(this);// 上面部分是调用await()时释放自己占有的锁，并阻塞自己等待条件的出现// *************************分界线*************************  //// 下面部分是条件已经出现，该线程被唤醒，尝试重新去获取锁继续向后执行// checkInterruptWhileWaiting()中会判断当前线程是否是被中断唤醒的// 返回值非0表示是被中断唤醒的，会通过break跳出while。// 因为如果是中断唤醒的，有可能实际上该线程还没有等到条件满足的时候就被唤醒了，// 这样该线程的Node节点一定没有被转移到同步队列中，所以就不可能通过循环条件来跳出循环。// 只能是我们手动调用break来跳出循环，毕竟await()方法还是要响应中断的，// 不能在其他线程已经发出中断信号后，还让线程在这个循环里自选而不响应中断。if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)break;}// 尝试获取锁，注意第二个参数，这里需要获取所的数量要和该线程最初持有锁的数量相同，//   使该线程恢复到最开始的持有锁的状态/*** 我们从两个条件分别去分析* 1、acquireQueued(node, savedState)*    尝试获取锁，注意第二个参数，这里需要获取所的数量要和该线程最初持有锁的数量相同，* 	      使该线程恢复到最开始的持有锁的状态，*    该方法在之前ReentrantLock章节中已经讲解过了，在这个方法中线程就会不断地尝试获取锁，*        如果没获取到就会再次阻塞在这个位置，等到被唤醒后继续抢占锁，直到成功获取锁之后该方法才会返回。*    该方法的返回值是中断标记，如果该线程是被中断信号唤醒并且抢占到锁的，就会返回true，*        如果线程不是被中断唤醒的，则返回false。*   * 2、interruptMode != THROW_IE*    interruptMode标识的是线程在等待条件满足被阻塞的过程当中，是否是被中断唤醒的*  这里的条件interruptMode != THROW_IE表示该线程不是在其他线程调用signal()之前被中断唤醒的*  所以第一个条件是表示该线程在重新获取锁的时被阻塞，然后又被唤醒重新获取到锁的过程中，是不是被中断唤醒的*  第二个条件表示该线程被阻塞，等待条件满足的过程当中，是不是被中断唤醒的*  第一个条件为true，说明该线程是在重新获取锁的过程中接收到过中断信号，也就说是这一次中断是在该线程等待*      条件被阻塞然后又被唤醒之后才发生的，这个中断信号一定是发生在其他线程调用signal()之后*  第二个条件为true，说明该线程在其他线程调用signal之前没有接收到过中断信号*  当两个条件都为true时，就会进入到if代码块中，将interruptMode = REINTERRUPT，也就是该线程收到了中断信号，*      并且是在其他线程调用signal()之后收到的中断信号*  如果该线程实在signal之前被中断的，那么该线程的流程就到此结束了，需要从头再来获取锁，*      就不能执行后续的步骤了，也就不能进入到该if代码块中*/// 如果没获取到会再次阻塞if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)interruptMode = REINTERRUPT;// 清除取消的节点if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelledunlinkCancelledWaiters();// 线程中断相关if (interruptMode != 0)reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}// AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject.addConditionWaiter
// 为线程创建Node节点并将其添加到条件队列当中去
private Node addConditionWaiter() {Node t = lastWaiter;/*** 如果条件队列的尾节点已取消（非Node.CONDITION状态），从头节点开始清除所有已取消的节点* * 该条件成立的例子：* 1、假设有两个线程thread0、thread1，初始时，thread0在未持有锁的情况下调用AQS.CO.await()，*   thread0执行到AQS.fullyRelease中时会将其对应节点的waitStatus字段设置为取消状态，*   之后持有锁的thread1调用 AQS.CO.await()，会执行到这里，这是条件队列尾节点t.waitStatus为1* * 2、假设有两个线程thread0、thread1，初始时，thread0持有锁，*   之后调用AQS.CO.await()释放锁并阻塞在LockSupport.park(this)处，*   之后外部线程中断thread0，thread0被唤醒后会执行到AQS.transferAfterCancelledWait的if处    *   将t.waitStatus设置为0，之后thread1获取到锁，执行到这里时，t.waitStatus为0*/	if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {// 移除条件队列中所有不是Node.CONDITION状态的节点	unlinkCancelledWaiters();// 重新获取最新的尾节点，经过unlinkCancelledWaiters()，lastWaiter可能已经改变t = lastWaiter;}// 新建一个节点，它的等待状态是CONDITIONNode node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);// 如果尾节点为空，则把新节点赋值给头节点（相当于初始化队列）// 否则把新节点赋值给尾节点的nextWaiter指针if (t == null)firstWaiter = node;elset.nextWaiter = node;// 尾节点指向新节点lastWaiter = node;// 返回新节点return node;
}// AbstractQueuedSynchronizer.fullyRelease
// 完全释放当前线程获取的锁
final int fullyRelease(Node node) {boolean failed = true;try {// 获取状态变量的值，重复获取锁，这个值会一直累加// 所以这个值也代表着获取锁的次数int savedState = getState();// 一次性释放所有获得的锁if (release(savedState)) {failed = false;// 返回获取锁的次数return savedState;} else {throw new IllegalMonitorStateException();}} finally {if (failed)node.waitStatus = Node.CANCELLED;}
}// AbstractQueuedSynchronizer.isOnSyncQueue
// 判断当前线程节点是否在同步队列中
final boolean isOnSyncQueue(Node node) {// 如果等待状态是CONDITION，或者前一个指针为空，返回false// 说明还没有移到AQS的队列中if (node.waitStatus == Node.CONDITION || node.prev == null)return false;// 如果next指针有值，说明已经移到AQS的队列中了if (node.next != null) // If has successor, it must be on queuereturn true;// 从AQS的尾节点开始往前寻找看是否可以找到当前节点，找到了也说明已经在AQS的队列中了return findNodeFromTail(node);
}// AbstractQueuedSynchronizer.findNodeFromTail()
private boolean findNodeFromTail(Node node) {Node t = tail;for (;;) {if (t == node)return true;if (t == null)return false;t = t.prev;}
}// AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject.checkInterruptWhileWaiting()
// 根据节点的中断情况来返回其中断标志
private int checkInterruptWhileWaiting(Node node) {/*** 通过Thread.interrupted()来判断该线程是不是被中断，如果没有被中断则返回0* 如果被中断了，则在通过transferAfterCancelledWait(node)来判断该线程是在其他线程调用signal()前被中断，*   还是调用signal()后被中断*     返回THROW_IE表示当前线程在其他线程调用signal前被中断*     返回REINTERRUPT表示当前线程在其他线程调用signal后被中断*     具体的分界点就是node.waitStatus的值，若其值为Node.CONDITION，是signal前被中断，否则在signal后被中断*/return Thread.interrupted() ? (transferAfterCancelledWait(node) ? THROW_IE : REINTERRUPT) : 0;
}// AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject.transferAfterCancelledWait()
// 返回true表示该节点是在调用signal()之前被中断的，返回false表示是调用signal()之后被中断的
final boolean transferAfterCancelledWait(Node node) {/*** 如果node.waitStatus的值是Node.CONDITION，说明该节点还没有被signal()方法唤醒，*   也就是说该节点是在调用signal()前被中断的* * 例子：* 该条件为true的情形：*   假设仅有thread0，thread0持有锁后调用AQS.CO.await()被park，*   之后被外部线程中断，会执行到这里，此时条件为true* 该条件为false的情形：*   假设有两个线程thread0、thread1，thread0，thread0持有锁后调用AQS.CO.await()被park，*   thread1获取到锁后调用AQS.CO.signal，之后会执行到AQS.transferForSignal的第一个if处，*   该if语句执行完后，这里node.waitStatus被修改为0，所以thread0执行这里的if语句时会失败*/if (compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0)) {// 被中断后就需要重新进入同步队列抢占锁，从头再来enq(node);return true;}// 到这里说明其他线程调用了signal()，将当前线程对应的节点加入同步队列，这里自旋等待入队完成while (!isOnSyncQueue(node))// 主动让出当前线程的CPU时间片Thread.yield(); // 到这里就说明是在调用signal()之后被中断的，执行到这里的时候，这个线程节点已经进入到了同步队列中了，//  在后续的操作中就会执行acquireQueued(node, savedState)来不断尝试获取锁直到成功return false;
}// AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject.unlinkCancelledWaiters()
// 清除掉条件队列中所有被取消的节点；
private void unlinkCancelledWaiters() {// 获取条件队列的头节点Node t = firstWaiter;Node trail = null;/*** 1、从firstWaiter开始，将整个链表中t.waitStatus != Node.CONDITION的节点移除掉；* 2、节点移除后，将其前置节点的nextWaiter指向后置节点。*/while (t != null) {// 获取当前遍历到节点的下一个节点Node next = t.nextWaiter;if (t.waitStatus != Node.CONDITION) {/** 当前节点状态不是CONDITION：* 将当前节点的nextWaiter设置为null。* 如果trail是空，则将firstWaiter指向之前保存的t.nextWaiter,* 否则将trail.nextWaiter指向之前保存的t.nextWaiter。*/t.nextWaiter = null;if (trail == null)firstWaiter = next;elsetrail.nextWaiter = next;if (next == null)lastWaiter = trail;}elsetrail = t;t = next;}
}// AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject.reportInterruptAfterWait()
// 根据中断标识来进行不同的处理
private void reportInterruptAfterWait(int interruptMode) throws InterruptedException {// 如果当前线程在其他线程调用signal()之前被中断唤醒，则直接抛出异常响应中断if (interruptMode == THROW_IE)throw new InterruptedException();// 如果当前线程在其他线程调用signal()之后被中断唤醒，这种情况不会对条件锁流程造成影响，// 则设置中断标志，但不会抛出异常中止执行else if (interruptMode == REINTERRUPT)selfInterrupt();
}

这里有几个难理解的点：

1. Condition的队列和AQS的队列不完全一样；

   • AQS的队列头节点是不存在任何值的，是一个虚节点；
   • Condition的队列头节点是存储着实实在在的元素值的，是真实节点。

2. 各种等待状态(waitStatus)的变化；

   • 首先，在条件队列中，新建节点的初始等待状态是CONDITION(-2)；
   • 其次，移到AQS的队列中时等待状态会更改为0(AQS队列节点的初始等待状态为0)；
   • 然后，在AQS的队列中如果需要阻塞，会把它上一个节点的等待状态设置为SIGNAL(-1)；
   • 最后，不管在Condition队列还是AQS队列中，已取消的节点的等待状态都会设置为CANCELLED(1)；
   • 另外，后面我们在共享锁的时候还会讲到另外一种等待状态叫PROPAGATE(-3)。

3. 相似的名称；

   • AQS中下一个节点是next，上一个节点是prev；
   • Condition中下一个节点是nextWaiter，没有上一个节点。

总结一下await()方法的大致流程：

1. 新建一个节点加入到条件队列中去；
2. 完全释放当前线程占有的锁；
3. 阻塞当前线程，并等待条件的出现；
4. 条件已出现(此时节点已经移到AQS的队列中)，尝试获取锁；

也就是说await()方法内部其实是先释放锁->等待条件->再次获取锁的过程。

3.5 condition.signal()方法

condition.signal()方法通知条件已经出现。

这个方法是由获取锁的其他线程执行的，用来唤醒正在阻塞等待满足条件的线程。

signal()方法会寻找条件队列中第一个可用节点移到AQS队列中；

// AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject.signal
public final void signal() {// 如果不是当前线程占有着锁，调用这个方法抛出异常// 说明signal()也要在获取锁之后执行if (!isHeldExclusively())throw new IllegalMonitorStateException();// 条件队列的头节点Node first = firstWaiter;// 如果有等待条件的节点，则通知它条件已成立if (first != null)doSignal(first);
}// AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject.doSignal
private void doSignal(Node first) {// 从头节点开始遍历条件队列，仅唤醒第一个符合条件的线程do {// 将记录条件队列头节点的指向向后移动一位if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)// 如果移动后firstWaiter为null，说明已到队列尾部，将lastWaiter设置为nulllastWaiter = null;// 将first与其后继节点断开，相当于把头节点从队列中出队first.nextWaiter = null;// 转移节点到AQS队列中// 条件1：只要一个线程转移到AQS同步队列成功，transferForSignal返回true，就会终止该循环// 条件2：用于判断是否遍历到了队列尾部} while (!transferForSignal(first) &&(first = firstWaiter) != null);
}// AbstractQueuedSynchronizer.transferForSignal
// 将节点从条件队列移动到同步队列，返回移动是否成功
final boolean transferForSignal(Node node) {// 把节点的状态更改为0，也就是说即将移到AQS队列中// 如果失败了，说明节点已经被改成取消状态了// 返回false，通过上面的循环可知会寻找下一个可用节点if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))return false;// 调用AQS的入队方法把节点移到AQS的队列中// 注意，这里enq()的返回值是node的上一个节点，也就是旧尾节点Node p = enq(node);// 上一个节点的等待状态int ws = p.waitStatus;// 如果上一个节点已取消了，或者更新状态为SIGNAL失败（也是说明上一个节点已经取消了）// 则直接唤醒当前节点对应的线程if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))LockSupport.unpark(node.thread);// 如果更新上一个节点的等待状态为SIGNAL成功了// 则返回true，这时上面的循环不成立了，退出循环，也就是只通知了一个节点// 此时当前节点还是阻塞状态// 也就是说调用signal()的时候并不会真正唤醒一个节点// 只是把节点从条件队列移到AQS队列中return true;
}

signal()方法的大致流程为：

1. 从条件队列的头节点开始寻找一个非取消状态的节点；
2. 把它从条件队列移到AQS队列；
3. 且只移动一个节点；

注意，这里调用signal()方法后并不会真正唤醒一个节点，那么，唤醒一个节点是在啥时候呢？

我们可以再回去看一下本文最开始的使用案例，在其他线程调用signal()方法后，该线程最终会执行lock.unlock()方法，此时才会真正唤醒一个正在同步队列中的节点，唤醒的这个节点如果曾经是条件节点被转移到条件队列中的话，就会继续执行await()方法“分界线”下面的代码。也就是说，在调用signal()方法的线程调用unlock()方法才是真正唤醒阻塞在条件上的节点（此时节点已经在AQS队列中）；被唤醒之后，被唤醒的节点会再次尝试获取锁，后面的逻辑与lock()的逻辑基本一致了。

3.6 condition.signalAll()方法

signalAll与signal类似，区别是signalAll会将所有节点加入同步队列，除了doSignalAll方法以外，其他的方法都是一样的：

private void doSignalAll(Node first) {// 将条件队列的头节点和尾节点都置为nulllastWaiter = firstWaiter = null;// 遍历条件队列，依次唤醒所有线程do {Node next = first.nextWaiter;first.nextWaiter = null;transferForSignal(first);first = next;} while (first != null);
}

四、总结

1. 条件锁是指为了等待某个条件出现而使用的一种锁；
2. 条件锁比较经典的使用场景就是队列为空时阻塞在条件notEmpty上；
3. ReentrantLock中的条件锁是通过AQS的ConditionObject内部类实现的；
4. await()和signal()方法都必须在获取锁之后释放锁之前使用；
5. await()方法会新建一个节点放到条件队列中，接着完全释放锁，然后阻塞当前线程并等待条件的出现；
6. signal()方法会寻找条件队列中第一个可用节点移到AQS队列中；
7. 在调用signal()方法的线程调用unlock()方法才真正唤醒阻塞在条件上的节点（此时节点已经在AQS队列中）；
8. 之后该节点会再次尝试获取锁，后面的逻辑与lock()的逻辑基本一致了。

参考文章

• 并发编程】Condition条件锁源码详解