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图解ReentrantLock的条件变量Condition机制

2023-02-19 12:22:29 时间

概述

想必大家都使用过wait()和notify()这两个方法吧，这两个方法主要用于多线程间的协同处理，即控制线程之间的等待、通知、切换及唤醒。而RenentrantLock也支持这样条件变量的能力，而且相对于synchronized 更加强大，能够支持多个条件变量。

ReentrantLock条件变量使用

ReentrantLock类API

  • Condition newCondition(): 创建条件变量对象

Condition类API

  • void await(): 当前线程从运行状态进入等待状态，同时释放锁，该方法可以被中断
  • void awaitUninterruptibly()：当前线程从运行状态进入等待状态，该方法不能够被中断
  • void signal(): 唤醒一个等待在 Condition 条件队列上的线程
  • void signalAll(): 唤醒阻塞在条件队列上的所有线程
@Test
public void testCondition() throws InterruptedException {
    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    //创建新的条件变量
    Condition condition = lock.newCondition();
    Thread thread0 = new Thread(() -> {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println("线程0获取锁");
            // sleep不会释放锁
            Thread.sleep(500);
            //进入休息室等待
            System.out.println("线程0释放锁，进入等待");
            condition.await();
            System.out.println("线程0被唤醒了");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    });
    thread0.start();
    //叫醒
    Thread thread1 = new Thread(() -> {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println("线程1获取锁");
            //唤醒
            condition.signal();
            System.out.println("线程1唤醒线程0");
        } finally {
            lock.unlock();
            System.out.println("线程1释放锁");
        }
    });
    thread1.start();

    thread0.join();
    thread1.join();
}

运行结果：

图片

  • condition的wait和notify必须在lock范围内
  • 实现条件变量的等待和唤醒，他们必须是同一个condition。
  • 线程1执行conidtion.notify()后，并没有释放锁，需要等释放锁后，线程0重新获取锁成功后，才能继续向下执行。

图解实现原理

await过程

  1. 线程0（Thread-0）一开始获取锁，exclusiveOwnerThread字段是Thread-0, 如下图中的深蓝色节点

图片

  1. Thread-0调用await方法，Thread-0封装成Node进入ConditionObject的队列，因为此时只有一个节点，所有firstWaiter和lastWaiter都指向Thread-0，会释放锁资源，NofairSync中的state会变成0，同时exclusiveOwnerThread设置为null。如下图所示。

图片

  1. 线程1（Thread-1）被唤醒，重新获取锁，如下图的深蓝色节点所示。

图片

  1. Thread-0被park阻塞，如下图灰色节点所示：

图片

源码如下：

下面是await()方法的整体流程，其中LockSupport.park(this)进行阻塞当前线程，后续唤醒，也会在这个程序点恢复执行。

public final void await() throws InterruptedException {
     // 判断当前线程是否是中断状态，是就直接给个中断异常
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    // 将调用 await 的线程包装成 Node，添加到条件队列并返回
    Node node = addConditionWaiter();
    // 完全释放节点持有的锁，因为其他线程唤醒当前线程的前提是【持有锁】
    int savedState = fullyRelease(node);
    
    // 设置打断模式为没有被打断，状态码为 0
    int interruptMode = 0;
    
    // 如果该节点还没有转移至 AQS 阻塞队列, park 阻塞，等待进入阻塞队列
    while (!isOnSyncQueue(node)) {
        // 阻塞当前线程，待会
        LockSupport.park(this);
        // 如果被打断，退出等待队列，对应的 node 【也会被迁移到阻塞队列】尾部，状态设置为 0
        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
            break;
    }
    // 逻辑到这说明当前线程退出等待队列，进入【阻塞队列】
    
    // 尝试枪锁，释放了多少锁就【重新获取多少锁】，获取锁成功判断打断模式
    if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
        interruptMode = REINTERRUPT;
    
    // node 在条件队列时 如果被外部线程中断唤醒，会加入到阻塞队列，但是并未设 nextWaiter = null
    if (node.nextWaiter != null)
        // 清理条件队列内所有已取消的 Node
        unlinkCancelledWaiters();
    // 条件成立说明挂起期间发生过中断
    if (interruptMode != 0)
        // 应用打断模式
        reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}
  • 将线程封装成Node, 加入到ConditionObject队列尾部，此时节点的等待状态时-2。
private Node addConditionWaiter() {
    // 获取当前条件队列的尾节点的引用，保存到局部变量 t 中
    Node t = lastWaiter;
    // 当前队列中不是空，并且节点的状态不是 CONDITION（-2），说明当前节点发生了中断
    if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
        // 清理条件队列内所有已取消的 Node
        unlinkCancelledWaiters();
        // 清理完成重新获取 尾节点 的引用
        t = lastWaiter;
    }
    // 创建一个关联当前线程的新 node, 设置状态为 CONDITION(-2)，添加至队列尾部
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
    if (t == null)
        firstWaiter = node;        // 空队列直接放在队首【不用CAS因为执行线程是持锁线程，并发安全】
    else
        t.nextWaiter = node;    // 非空队列队尾追加
    lastWaiter = node;            // 更新队尾的引用
    return node;
}
  • 清理条件队列中的cancel类型的节点，比如中断、超时等会导致节点转换为Cancel
// 清理条件队列内所有已取消（不是CONDITION）的 node，【链表删除的逻辑】
private void unlinkCancelledWaiters(){
    // 从头节点开始遍历【FIFO】
    Node t = firstWaiter;
    // 指向正常的 CONDITION 节点
    Node trail = null;
    // 等待队列不空
    while (t != null) {
        // 获取当前节点的后继节点
        Node next = t.nextWaiter;
        // 判断 t 节点是不是 CONDITION 节点，条件队列内不是 CONDITION 就不是正常的
        if (t.waitStatus != Node.CONDITION) { 
            // 不是正常节点，需要 t 与下一个节点断开
            t.nextWaiter = null;
            // 条件成立说明遍历到的节点还未碰到过正常节点
            if (trail == null)
                // 更新 firstWaiter 指针为下个节点
                firstWaiter = next;
            else
                // 让上一个正常节点指向 当前取消节点的 下一个节点，【删除非正常的节点】
                trail.nextWaiter = next;
            // t 是尾节点了，更新 lastWaiter 指向最后一个正常节点
            if (next == null)
                lastWaiter = trail;
        } else {
            // trail 指向的是正常节点 
            trail = t;
        }
        // 把 t.next 赋值给 t，循环遍历
        t = next; 
    }
}
  • fullyRelease方法将r让Thread-0释放锁, 这个时候Thread-1就会去竞争锁
// 线程可能重入，需要将 state 全部释放
final int fullyRelease(Node node) {
    // 完全释放锁是否成功，false 代表成功
    boolean failed = true;
    try {
        // 获取当前线程所持有的 state 值总数
        int savedState = getState();
        // release -> tryRelease 解锁重入锁
        if (release(savedState)) {
            // 释放成功
            failed = false;
            // 返回解锁的深度
            return savedState;
        } else {
            // 解锁失败抛出异常
            throw new IllegalMonitorStateException();
        }
    } finally {
        // 没有释放成功，将当前 node 设置为取消状态
        if (failed)
            node.waitStatus = Node.CANCELLED;
    }
}
  • 判断节点是否在AQS阻塞对列中，不在条件对列中
final boolean isOnSyncQueue(Node node) {
    // node 的状态是 CONDITION，signal 方法是先修改状态再迁移，所以前驱节点为空证明还【没有完成迁移】
    if (node.waitStatus == Node.CONDITION || node.prev == null)
        return false;
    // 说明当前节点已经成功入队到阻塞队列，且当前节点后面已经有其它 node，因为条件队列的 next 指针为 null
    if (node.next != null)
        return true;
    // 说明【可能在阻塞队列，但是是尾节点】
    // 从阻塞队列的尾节点开始向前【遍历查找 node】，如果查找到返回 true，查找不到返回 false
    return findNodeFromTail(node);
}

signal过程

  1. Thread-1执行signal方法唤醒条件队列中的第一个节点，即Thread-0，条件队列置空

图片

  1. Thread-0的节点的等待状态变更为0， 重新加入到AQS队列尾部。

图片

  1. 后续就是Thread-1释放锁，其他线程重新抢锁。

源码如下：

  • signal()方法是唤醒的入口方法
public final void signal() {
    // 判断调用 signal 方法的线程是否是独占锁持有线程
    if (!isHeldExclusively())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    // 获取条件队列中第一个 Node
    Node first = firstWaiter;
    // 不为空就将第该节点【迁移到阻塞队列】
    if (first != null)
        doSignal(first);
}
  • 调用doSignal()方法唤醒节点
// 唤醒 - 【将没取消的第一个节点转移至 AQS 队列尾部】
private void doSignal(Node first){
    do {
        // 成立说明当前节点的下一个节点是 null，当前节点是尾节点了，队列中只有当前一个节点了
        if ((firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
            lastWaiter = null;
        first.nextWaiter = null;
    // 将等待队列中的 Node 转移至 AQS 队列，不成功且还有节点则继续循环
    } while (!transferForSignal(first) && (first = firstWaiter) != null);
}

// signalAll() 会调用这个函数，唤醒所有的节点
private void doSignalAll(Node first){
    lastWaiter = firstWaiter = null;
    do {
        Node next = first.nextWaiter;
        first.nextWaiter = null;
        transferForSignal(first);
        first = next;
    // 唤醒所有的节点，都放到阻塞队列中
    } while (first != null);
}
  • 调用transferForSignal()方法，先将节点的 waitStatus 改为 0，然后加入 AQS 阻塞队列尾部，将 Thread-3 的 waitStatus 改为 -1。
// 如果节点状态是取消, 返回 false 表示转移失败, 否则转移成功
final boolean transferForSignal(Node node) {
    // CAS 修改当前节点的状态，修改为 0，因为当前节点马上要迁移到阻塞队列了
    // 如果状态已经不是 CONDITION, 说明线程被取消（await 释放全部锁失败）或者被中断（可打断 cancelAcquire）
    if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
        // 返回函数调用处继续寻找下一个节点
        return false;
    
    // 【先改状态，再进行迁移】
    // 将当前 node 入阻塞队列，p 是当前节点在阻塞队列的【前驱节点】
    Node p = enq(node);
    int ws = p.waitStatus;
    
    // 如果前驱节点被取消或者不能设置状态为 Node.SIGNAL，就 unpark 取消当前节点线程的阻塞状态, 
    // 让 thread-0 线程竞争锁，重新同步状态
    if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
        LockSupport.unpark(node.thread);
    return true;
}

总结

本文讲解了ReentrantLock中条件变量的使用和原理实现，希望对大家有帮助。

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