Java多线程（二）——ReentrantLock源码解析（补充4——条件变量Condition）

news2024/11/16 5:58:40

ReentrantLock源码解析（补充4——条件变量Condition）

上一章 ReentrantLock源码解析 仅介绍了 ReentrantLock 的常用方法以及公平锁、非公平锁的实现。这里对上一章做一些补充。主要是：

  • AQS 中阻塞的线程被唤醒后的执行流程
  • 可打断的锁 lock.lockInterruptibly()
  • 锁超时 lock.tryLock(long,TimeUnit)
  • 条件变量 Condition（本篇讲述）

1. Condition的使用

假设场景：当线程获取到锁，进入临界区，但由于某个条件不满足，而不能很快执行完临界区代码。比较好的处理方式是：让出锁资源。

在 synchronized 的保护性暂停设计模式中，给出了代码模板。类似的，在 ReentrantLock 中，也可以完成该设计。

ReentrantLock 的 Condition 是 synchronized 的 waitSet 的优化实现。

  • Synchronized 重量级锁的 waitSet 只有一个，也就是所有获取锁后，又不满足某条件的线程，通过 o.wait() 方法让出锁资源，只能进到同一个等待集合 waitSet 中。
  • ReentrantLock 可以有多个等待集合，每个等待集合被封装在不同的 Condition 中。

synchronized 重量级锁的结构为：

ObjectMonitor

ReentrantLock中 Condition 的结构（ConditionObject 是 Condition 接口的实现）：【重要】

请添加图片描述

需要全体唤醒时，Synchronized 唤醒的是所有 waitSet 中的线程，ReentrantLock 则是唤醒某个 Condition 中的线程。

在保护性暂停设计模式中，所有不满足条件的线程后续还会重新进入等待集合中。线程状态转换是需要消耗 CPU 资源的，ReentrantLock 通过使用多个 Condition 将该代价降低。

关于条件变量 Condition 的使用，我们模拟以下场景：

线程 t1 和 t2 获取到锁资源后，都要满足 conditionOk 条件，才可以继续执行临界区代码，并消耗 conditionOk 条件，主线程负责给予满足的条件。

public class ReentrantLockDemo2_Condition {
	//锁资源
    static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
	//当前条件情况，如int类型的条件到达了某个值，将被判断为满足条件，或者boolean类型的条件变成了 true，将被判断为满足条件
    static boolean conditionOk = false;
	//条件等待集合
    static Condition condition = lock.newCondition();
    
    public static void main(String[] args) {
        //线程 t1
        new Thread(() -> {
            //condition.await()之前需要先获取锁
            lock.lock();
            try {
                //线程刚启动，或被唤醒后，进行条件判断
                while (!conditionOk) {
                    System.out.println("t1 条件不满足，等待条件");
                    try {
                        //挂起线程，进入Condition的等待集合、
                        condition.await();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                //满足条件后
                System.out.println("t1: 条件满足，开始工作!");
                //消耗condition
                conditionOk = false;
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }, "t1").start();

        //线程 t2,具体实现与 t1相同
        new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try {
                while (!conditionOk) {
                    System.out.println("t2 条件不满足，等待条件");
                    try {
                        condition.await();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                System.out.println("t2: 条件满足，开始工作!");
                conditionOk = false;
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }, "t2").start();

        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
		//主线程给予满足的条件
        lock.lock();
        try {
            //条件准备完成
            conditionOk = true;
            //唤醒condition等待
            condition.signalAll();
        } finally {
            lock.unlock();
        }

    }
}

运行结果：

  1. 两个线程一开始都不满足条件，都进入了等待集合，并挂起进入 等待状态（WAITING）；
  2. 主线程将条件准备完成后，唤醒两线程，两线程重新争抢锁；
  3. 线程 t1 先争抢到锁，消费掉条件后，线程 t2 后争抢到锁，但条件不满足，又进入了等待集合。
t1 条件不满足，等待条件
t2 条件不满足，等待条件
t1: 条件满足，开始工作!
t2 条件不满足，等待条件

2. condition.await() 源码分析

condition.await() 由 AQS 中的 ConditionObject类 实现，它主要做了几件事：

  1. 将当前线程的 Node 加到 ConditionObject 等待集合的队尾

  2. 释放锁资源。

    1. 【重点 1 】如果没有获得锁资源，到这里，就会抛出异常，并且刚加入队尾的 node 的状态将会改为 Node.CANCELLED ，该 node 后续将被 ConditionObject 剔除

  3. 【重点 2 】只要不在 AQS 双向队列中，就进入等待状态，等待唤醒。（通过 signal() 中的LockSupport.unpark() 或者 interrupt() 都可以唤醒线程，并将 node 放入到 AQS 的队列尾部等待锁资源）

    1. 如果不是被 signal() 中的 unpark() 唤醒的，不作处理，再次进入循环，重新被 park() 挂起进入到 等待状态（WAITING）

      因为仅仅通过 unpark()，而没有通过 signal() 的 enq() 操作，将不被视为被合法唤醒。

      合法唤醒：需要将 node 的 waitStatus 变为 0 ，同时加入到 AQS 的双向队列中等待锁资源。

  4. 重新 acquireQueued() 重新争锁。

  5. acquireQueued()获取锁 return 之后，才准备退出 await() 方法。

  6. 在结束 await() 方法之前，需要做两件事：

    1. 清理 ConditionObject 的链表
    2. 【重点 3】根据中断情况，抛出异常，或者再次中断线程，或者什么都不做。
      1. 如果线程是通过 interrupt() 唤醒的，抛出异常
      2. 如果线程在 signal()唤醒后，还被 interrupt() 过，再次interrupt() 以确保此时中断标记为 true；
      3. 如果线程 signal() 之后没有被 interrupt() 过，什么也不做。
public final void await() throws InterruptedException {
    //处理中断
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    //将当前线程添加到ConditionObject中去————见2.1
    Node node = addConditionWaiter();
    //释放当前线程持有的锁资源，并保存当前重入次数————见2.3
    int savedState = fullyRelease(node);
    int interruptMode = 0;
    //如果不在 AQS 双向链表中，进入循环
    while (!isOnSyncQueue(node)) {
        // 将当前线程挂起
        LockSupport.park(this);
        //直到被interrupt()中断，或者被唤醒————见2.4
        //如果仅仅是被 interrupt() 中断，interruptMode = THROW_IE，从而进入if方法体，break退出循环；
        //如果signal()之后紧接着调用了 interrupt()，interruptMode = REINTERRUPT，从而进入if方法体，break退出循环；
        //如果仅仅是 signal() 则会因为不满足while条件而退出循环，interruptMode仍为 0 
        //不论是 interrupt() 还是 signal() ，node都会进入到 AQS 队列中等待锁资源。
        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
            break;
        //如果线程不是被 signal()的unpark() 的其他 单独的 unpark()方法 唤醒的，不作处理！再次进入循环将再次被 park() 进入等待状态（WAITING）
    }
    //退出循环
    //线程被唤醒，并进入到 AQS 队列中。
    if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
        //直到获取到锁资源，acquireQueued()才会返回，返回的是中断标记。
        //进入到这里，说明调用了 signal() 后。在 acquireQueued()中还被 interrupt() 过
        interruptMode = REINTERRUPT;
    //如果不处在 ConditionObject 的队尾，尝试清空 ConditionObject 中不为 Node.CONDITION 节点。
    if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
        //清理 ConditionObject 链表 ———— 见 2.2
        unlinkCancelledWaiters();
    if (interruptMode != 0)
        //如果过程中被中断过
        //视情况：抛出异常，或者再次中断线程，或者什么都不做。----见2.5
        reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}

2.1 addConditionWaiter()

说明：将当前线程添加到 ConditionObject 的末尾。在添加之前，先 unlinkCancelledWaiters() 清理链表。

ConditionObject 中 firstWaiter 指向单链表头结点，lastWaiter 指向单链表尾结点。

源码

private Node addConditionWaiter() {
    //获取尾结点
    Node t = lastWaiter;
    //如果尾结点不为空，并且尾结点的状态不是 Node.CONDITION，说明要清理链表————见2.2
    if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
        unlinkCancelledWaiters();
        t = lastWaiter;
    }
    //将当前线程封装到 Node 中
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
    if (t == null)
        //如果 ConditionObject 的链表为空，firstWaiter 指向它
        firstWaiter = node;
    else
        //如果链表有元素，则加在末尾元素的最后
        t.nextWaiter = node;
    //更新链表末尾元素指针
    lastWaiter = node;
    return node;
}

2.2 unlinkCancelledWaiters()

说明：从前往后清理 ConditionObject 链表中 waitStatus 不为 Node.CONDITION 的节点。

源码：

private void unlinkCancelledWaiters() {
    //t指向当前判断的节点，trail指向上一个可用节点（是 CONDITION 的节点）
    Node t = firstWaiter;
    Node trail = null;
    while (t != null) {
        Node next = t.nextWaiter;
        if (t.waitStatus != Node.CONDITION) {
            //一旦发现需要清除的节点
            //1. 断开引用
            //2. 如果第一个就不可用，更新 firstWaiter
            //3. 假设下一个可用，更新 trail（上一个可用节点） 的nextWaiter 指向
            //4. 如果到了末尾，更新 lastWaiter 指向
            t.nextWaiter = null;
            if (trail == null)
                firstWaiter = next;
            else
                trail.nextWaiter = next;
            if (next == null)
                lastWaiter = trail;
        }
        else
            //遇到了可用的，更新 trail 指向
            trail = t;
        t = next;
    }
}

2.3 fullyRelease(node)

说明：如果当前线程确实是在获取锁的情况下，调用的 await() 方法，将会释放锁资源，并将之前的重入次数，即 AQS 的 state 变量，记录下来。以备后续唤醒时，直接设置重入次数。

如果当前线程并没有持有锁，却调用了 await() 方法，来到了 fullyRelease()，将会抛出 IllegalMonitorStateException() 异常。同时将刚加入到 ConditionObject 链表的节点设置状态为 CALCELLED ，即 取消状态。

这个异常也在 Object#wait()方法中出现。如果一个对象调用 wait() 方法，却不在 Synchronized 修饰的代码块中，也会抛出 IllegalMonitorStateException 异常

源码

final int fullyRelease(Node node) {
    boolean failed = true;
    try {
        //获取 AQS 中的state，即当前ReentrantLock的重入次数
        long savedState = getState();
       	//release做了两件事：
        //1. 判断线程是否持有锁，没有就抛出异常
        //2. 将ReentrantLock的AQS中的owner设为空
        //3. 如果AQS双向队列中有 node 在等待，唤醒一个
        if (release(savedState)) {
            failed = false;
            return savedState;
        } else {
            throw new IllegalMonitorStateException();
        }
    } finally {
        //抛出异常后，无论外界是否捕获异常，这里都会将刚加入到 ConditionObject 链表的 node 状态设置为 CANCELLED
        if (failed)
            node.waitStatus = Node.CANCELLED;
    }
}

2.4 checkInterruptWhileWaiting(node)

说明：

当线程被唤醒，判断是否为合法唤醒。

  1. 如果当前线程被 interrupt() 唤醒过，且还未signal()，返回 THROW_IE：-1；（interrupt() 抢先将 node 加入到 AQS 等待队列中）

  2. 如果在被唤醒 signal() 后被 interrupt() 中断，返回 REINTERRUPT：1；（signal() 抢先将 node 加入到 AQS 等待队列中）

    这个情况也被视为正常地 signal() ，不过需要把中断标记改为 true

  3. 如果不是合法唤醒，返回 0。

合法唤醒：需要将 node 的 waitStatus 变为 0 ，同时加入到 AQS 的双向队列中等待锁资源。（只能通过 signal()的unpark() 或者 interrupt()后进入到 transferAfterCancelledWait() 才可以合法唤醒 ）

源码

private int checkInterruptWhileWaiting(Node node) {
    //如果当前线程是因为中断而退出的LockSupport.park()方法，将会进入到 transferAfterCancelledWait() 方法
    //如果当前线程正常被唤醒，返回 0
    return Thread.interrupted() ?
        (transferAfterCancelledWait(node) ? THROW_IE : REINTERRUPT) :
    0;
}

如果当前线程是因为中断导致的唤醒，将会进入到 trnasferAfterCalcceldWait(node) ：

  1. CAS 更新node的waitStatus状态
  2. 如果成功，将该 node 通过 enq() 放回到 AQS 队尾等待锁资源
  3. 如果失败，说明 signal() 方法抢先进行 CAS 成功，signal() 也会将 node 通过 enq() 放到 AQS 双向队列的尾部
  4. 如果是 interrupt() 抢先将 node 放入AQS等待队列，返回 true
  5. 如果是 signal() 抢先将 node 放入AQS等待队列，返回 false
final boolean transferAfterCancelledWait(Node node) {
    //被中断唤醒后的线程，将状态变为 0 ，尝试入队到AQS中
    //注意此时是在释放锁之后，当前线程没有持有锁资源
    // signal() 方法也会有对node 的 CAS 操作。
    if (compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0)) {
        enq(node);
        return true;
    }
    //不论是由于interrupt()后进入该方法，并 enq()成功，还是由于signal()使得node enq()成功，最后都会进入到 AQS 中！
    //而且cas失败的情况很少见，即使失败了，由signal()做enq()速度也是很快的，所以这里只需要自旋等待
    while (!isOnSyncQueue(node))
        //为避免自旋空转，浪费CPU资源，这里可以通过 yield() 交出 CPU 控制权，放弃时间片，等待下一次调度。
        Thread.yield();
    return false;
}

2.5 reportInterruptAfterWait(interruptMode);

说明：判断 signal() 和 interrupt() 的执行情况，返回中断处理

  1. 如果线程是被 interrupt() 唤醒的，并通过 transferAfterCancelledWait() 进入到 AQS 队尾，则在 acquireQueued() 获取到锁资源后，且在退出 await() 之前，抛出 InterruptException 异常
  2. 如果线程是被 signal() 唤醒的
    1. 如果 signal() 之后，该线程还被 interrupt() 过，则在该方法中再次调用 interrupt() 确保在 await() 退出时，中断标记为 true。
    2. 如果 signal() 之后，线程没有被中断过，则什么也不做

源码：

private void reportInterruptAfterWait(int interruptMode)
            throws InterruptedException {
    if (interruptMode == THROW_IE)
        //如果线程是通过 interrupt() 唤醒的，抛出异常
        throw new InterruptedException();
    else if (interruptMode == REINTERRUPT)
        //如果线程在 signal()唤醒后，还被 interrupt() 过，再次interrupt() 确保此时中断标记为 true
        selfInterrupt();
    //如果线程 signal() 之后没有被 interrupt() 过，什么也不做。
}

3. condition.signal()

唤醒在该条件变量中等待的第一个是Node.CONDITION 状态的节点，并让其进入AQS等待队列继续争锁。

如果没有持有 ReentrantLock 锁，这个唤醒是不合法的，会抛出 IllegalMonitorStateException() 异常。

public final void signal() {
    //判断当前线程是否持有锁
    if (!isHeldExclusively())
        //如果没有持有锁就调用 signal()，抛出异常
        throw new IllegalMonitorStateException();
    Node first = firstWaiter;
    if (first != null)
        //如果条件变量中，有等待的线程，那么唤醒第一个。
        doSignal(first);
}

doSignal(first) 将 ConditionObject 的等待链表中第一个还是 Node.CONDITION 状态的节点唤醒。

private void doSignal(Node first) {
    do {
        //将 first 从链表中剔除出来
        if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
            lastWaiter = null;
        first.nextWaiter = null;
        //如果first之前被 interrupt() 唤醒，已经进入了 AQS 等待队列，那么就要再次循环，拿到 ConditionObject 的下一个 first进行唤醒。
        //如果 transferForSignal() 正常唤醒，则退出循环，完成 doSignal()
    } while (!transferForSignal(first) &&
             //如果 ConditionObject 的链表已经没有节点了，就结束。
             (first = firstWaiter) != null);
}

transferForSignal(node)

  1. 先尝试 CAS 将 node 的 waitStatus 改为 0
  2. 如果修改成功，将该 node 加入到 AQS 的等待队列中去。
  3. 如果修改失败，
    1. 有可能线程已经被 interrupt() 后的 transferAfterCancelledWait() 唤醒进入 AQS 等待队列了，return false，让 doSignal() 寻找 ConditionObject 中链表的下一个节点进行唤醒。
    2. 也有可能该线程没拿到锁资源，就进行了 condition.await()，从而挂在 ConditionObject 链表最后，但其状态为 Node.CANCELLED
final boolean transferForSignal(Node node) {
    if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
        //要么线程已经被 interrupt() 后的 transferAfterCancelledWait() 节点 waitStatus 设为 0
        //要么就是节点 waitStatus 是 Node.CANCELLED
        return false;
    
	//如果signal成功，将 node 加入到 AQS 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;
}

4. condition.signalAll()

唤醒在该条件变量中等待的所有是Node.CONDITION 状态的节点，并让它们进入AQS等待队列继续争锁。**。

如果没有持有 ReentrantLock 锁，这个唤醒是不合法的，会抛出 IllegalMonitorStateException() 异常。

public final void signalAll() {
    //判断当前线程是否持有锁
    if (!isHeldExclusively())
        //如果没有持有锁就调用 signal()，抛出异常
        throw new IllegalMonitorStateException();
    Node first = firstWaiter;
    if (first != null)
        doSignalAll(first);
}

doSignalAll() 将 ConditionObject 链表中 所有 Node.CONDITION 的节点都唤醒

private void doSignalAll(Node first) {
    lastWaiter = firstWaiter = null;
    do {
        Node next = first.nextWaiter;
        first.nextWaiter = null;
        transferForSignal(first);
        first = next;
    } while (first != null);
}

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【算法基础】二分查找算法

【算法基础】二分查找算法

一、二分查找算法原理 1. 算法介绍 首先，假设表中元素是按升序排列，将表中间位置记录的关键字与查找关键字比较，如果两者相等，则查找成功；否则利用中间位置记录将表分成前、后两个子表，如果中间位置记录的关键字大于查找关键字，则进一步查找前一子表，否则进一步查找后…
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github codespace进行npm start运行开发服的时候无法显示页面（白屏）

github codespace进行npm start运行开发服的时候无法显示页面（白屏）

github codespace进行npm start运行开发服的时候无法显示页面解决方案 先说答案 必须要指定host为0.0.0.0&#xff0c;因为一般前端开发的时候都是本地访问的&#xff0c;所以npm start 默认启动一个开发服&#xff0c;监听127.0.0.1的请求&#xff0c;也就是localhost。但是…
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《Spring揭秘》读书笔记 3：Spring MVC

《Spring揭秘》读书笔记 3：Spring MVC

22 迈向Spring MVC的旅程 【参考】Java Web开发历程。 1) Servlet独行天下的时代。 一个Servlet对应处理一个Web请求。Servlet什么都做。 2) 繁盛一时的JSP时代。 将Servlet中的视图渲染逻辑以独立的单元抽取出来&#xff0c;JSP成为Java Web应用程序事实上的模板化视图标准…
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Golang 使用Gin创建Restful API

Golang 使用Gin创建Restful API

Golang 使用Gin创建Restful API 今天学习下Go语言如何集成Gin框架编写Restful Web API的基本操作。Gin框架简化了Go原生语言构建Web应用程序的复杂度&#xff0c;在今天的学习中&#xff0c;将学会使用Gin构建路由请求、数据检索、JSON响应封装等最简单的Web服务。 基本要求 …
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将本地txt文件上传至mysql

将本地txt文件上传至mysql

文章目录单个文件导入1.创建数据库和数据表2.使用cmd各种情况说明如果报错方案一方案二方案三mysql重启命令重启&#xff1a;图形页面重启当txt文件中的数据量太多时&#xff0c;不再适合用sql语句插入&#xff0c;这里介绍讲本地txt文件导入到mysql中 单个文件导入 如图所示…
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【Maven】私服

【Maven】私服

目录 1. 私服介绍 问题导入 1.1 介绍 1.2 Nexus安装与启动 1.3 私服资源操作流程分析 2. 私服仓库分类 问题导入 3. 资源上传与下载 问题导入 3.1 从私服中下载依赖 3.2 上传依赖到私服中 1. 私服介绍 问题导入 这里的私服和平时我们听的国服、体验服、欧服等等有…
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《深入浅出计算机组成原理》学习笔记 Day12

《深入浅出计算机组成原理》学习笔记 Day12

数据通路&#xff08;上&#xff09;1. 指令周期&#xff08;Instruction Cycle&#xff09;2. 建立数据通路3. CPU 所需要的硬件电路4. 总结参考1. 指令周期&#xff08;Instruction Cycle&#xff09; 计算机每执行一条指令的过程&#xff0c;可以分为这几个步骤&#xff1a…
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