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共享模式與基於Condition的等待/通知實例詳解

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Jul 17, 2017 pm 02:17 PM

abstractqueuedsynchronizer 基於模式

共享模式acquire實作流程

上文我們講解了AbstractQueuedSynchronizer獨佔模式的acquire實作流程，本文趁熱打鐵繼續看AbstractQueuedSynchronizer分享模式acquire的實作流程。連續兩篇文章的學習，也可以比較獨佔模式acquire和共享模式acquire的區別，加深AbstractQueuedSynchronizer的理解。

先看一下共享模式acquire的實現，方法為acquireShared和acquireSharedInterruptibly，兩者差別不大，差別就在於後者有中斷處理，以acquireShared為例：

 1 public final void acquireShared(int arg) { 2     if (tryAcquireShared(arg) < 0) 3         doAcquireShared(arg); 4 }

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這裡就能看出第一個差異來了：獨佔模式acquire的時候子類別重寫的方法tryAcquire回傳的是boolean ，也就是是否tryAcquire成功；共享模式acquire的時候，回傳的是int型變量，判斷是否<0。 doAcquireShared方法的實作為：

 1 private void doAcquireShared(int arg) { 2     final Node node = addWaiter(Node.SHARED); 3     boolean failed = true; 4     try { 5         boolean interrupted = false; 6         for (;;) { 7             final Node p = node.predecessor(); 8             if (p == head) { 9                 int r = tryAcquireShared(arg);10                 if (r >= 0) {11                     setHeadAndPropagate(node, r);12                     p.next = null; // help GC13                     if (interrupted)14                         selfInterrupt();15                     failed = false;16                     return;17                 }18             }19             if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&20                 parkAndCheckInterrupt())21                 interrupted = true;22         }23     } finally {24         if (failed)25             cancelAcquire(node);26     }27 }

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我們來分析這段程式碼做了什麼：

##addWaiter，把所有tryAcquireShared< ;0的執行緒實例化出一個Node，建構成一個FIFO佇列，這和獨佔鎖定是一樣的
拿目前節點的前驅節點，只有前驅節點是head的節點才能tryAcquireShared，這和獨佔鎖也是一樣的
前驅節點不是head的，執行"shouldParkAfterFailedAcquire() && parkAndCheckInterrupt()"，for(;;)循環，"shouldParkAfterFailedAcquire()"方法執行2次，當前執行緒阻塞，這和獨佔鎖定也是一樣的

確實，共享模式下的acquire和獨佔模式下的acquire大部分邏輯差不多，最大的差別在於tryAcquireShared成功之後，獨佔模式的acquire是直接將目前節點設為head節點即可，共用模式會執行setHeadAndPropagate方法，顧名思義，即

在設定head之後多執行了一步propagate運算#。 setHeadAndPropagate方法原始碼為：

 1 private void setHeadAndPropagate(Node node, int propagate) { 2     Node h = head; // Record old head for check below 3     setHead(node); 4     /* 5      * Try to signal next queued node if: 6      *   Propagation was indicated by caller, 7      *     or was recorded (as h.waitStatus) by a previous operation 8      *     (note: this uses sign-check of waitStatus because 9      *      PROPAGATE status may transition to SIGNAL.)10      * and11      *   The next node is waiting in shared mode,12      *     or we don't know, because it appears null13      *14      * The conservatism in both of these checks may cause15      * unnecessary wake-ups, but only when there are multiple16      * racing acquires/releases, so most need signals now or soon17      * anyway.18      */19     if (propagate > 0 || h == null || h.waitStatus < 0) {20         Node s = node.next;21         if (s == null || s.isShared())22             doReleaseShared();23     }24 }

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第3行的程式碼設定重設head，第2行的程式碼由於第3行的程式碼要重設head，因此先定義一個Node型變數h取得原head的位址，這兩行程式碼很簡單。

第19行~第23行的程式碼是獨佔鎖和共享鎖最不一樣的一個地方，我們再看獨佔鎖acquireQueued的程式碼：

 1 final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { 2     boolean failed = true; 3     try { 4         boolean interrupted = false; 5         for (;;) { 6             final Node p = node.predecessor(); 7             if (p == head && tryAcquire(arg)) { 8                 setHead(node); 9                 p.next = null; // help GC10                 failed = false;11                 return interrupted;12             }13             if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&14                 parkAndCheckInterrupt())15                 interrupted = true;16         }17     } finally {18         if (failed)19             cancelAcquire(node);20     }21 }

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這表示獨佔鎖定某個節點被喚醒之後，它只需要將這個節點設定成head就完事了，而共用鎖定不一樣，某個節點被設定為head之後，如果它的後繼節點是SHARED狀態的，那麼將繼續透過doReleaseShared方法嘗試往後喚醒節點，實現了共享狀態的向後傳播 #。

共享模式release實作流程

上面講了共享模式下acquire是如何實現的，下面再看一下release的實作流程，方法為releaseShared：

1 public final boolean releaseShared(int arg) {2     if (tryReleaseShared(arg)) {3         doReleaseShared();4         return true;5     }6     return false;7 }

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tryReleaseShared方法是子類別實現的，如果tryReleaseShared成功，那麼執行doReleaseShared()方法：

 1 private void doReleaseShared() { 2     /* 3      * Ensure that a release propagates, even if there are other 4      * in-progress acquires/releases.  This proceeds in the usual 5      * way of trying to unparkSuccessor of head if it needs 6      * signal. But if it does not, status is set to PROPAGATE to 7      * ensure that upon release, propagation continues. 8      * Additionally, we must loop in case a new node is added 9      * while we are doing this. Also, unlike other uses of10      * unparkSuccessor, we need to know if CAS to reset status11      * fails, if so rechecking.12      */13     for (;;) {14         Node h = head;15         if (h != null && h != tail) {16             int ws = h.waitStatus;17             if (ws == Node.SIGNAL) {18                 if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))19                     continue;            // loop to recheck cases20                 unparkSuccessor(h);21             }22             else if (ws == 0 &&23                      !compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))24                 continue;                // loop on failed CAS25         }26         if (h == head)                   // loop if head changed27             break;28     }29 }

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主要是两层逻辑：

头结点本身的waitStatus是SIGNAL且能通过CAS算法将头结点的waitStatus从SIGNAL设置为0，唤醒头结点的后继节点
头结点本身的waitStatus是0的话，尝试将其设置为PROPAGATE状态的，意味着共享状态可以向后传播

Condition的await()方法实现原理----构建等待队列

我们知道，Condition是用于实现通知/等待机制的，和Object的wait()/notify()一样，由于本文之前描述AbstractQueuedSynchronizer的共享模式的篇幅不是很长，加之Condition也是AbstractQueuedSynchronizer的一部分，因此将Condition也放在这里写了。

Condition分为await()和signal()两部分，前者用于等待、后者用于唤醒，首先看一下await()是如何实现的。Condition本身是一个接口，其在AbstractQueuedSynchronizer中的实现为ConditionObject：

1 public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {2         private static final long serialVersionUID = 1173984872572414699L;3         /** First node of condition queue. */4         private transient Node firstWaiter;5         /** Last node of condition queue. */6         private transient Node lastWaiter;7         8         ...9 }

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这里贴了一些字段定义，后面都是方法就不贴了，会对重点方法进行分析的。从字段定义我们可以看到，ConditionObject全局性地记录了第一个等待的节点与最后一个等待的节点。

像ReentrantLock每次要使用ConditionObject，直接new一个ConditionObject出来即可。我们关注一下await()方法的实现：

 1 public final void await() throws InterruptedException { 2     if (Thread.interrupted()) 3         throw new InterruptedException(); 4     Node node = addConditionWaiter(); 5     int savedState = fullyRelease(node); 6     int interruptMode = 0; 7     while (!isOnSyncQueue(node)) { 8         LockSupport.park(this); 9         if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)10             break;11     }12     if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)13         interruptMode = REINTERRUPT;14     if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled15         unlinkCancelledWaiters();16     if (interruptMode != 0)17         reportInterruptAfterWait(interruptMode);18 }

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第2行~第3行的代码用于处理中断，第4行代码比较关键，添加Condition的等待者，看一下实现：

 1 private Node addConditionWaiter() { 2     Node t = lastWaiter; 3     // If lastWaiter is cancelled, clean out. 4     if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) { 5         unlinkCancelledWaiters(); 6         t = lastWaiter; 7     } 8     Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION); 9     if (t == null)10         firstWaiter = node;11     else12         t.nextWaiter = node;13     lastWaiter = node;14     return node;15 }

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首先拿到队列（注意数据结构，Condition构建出来的也是一个队列）中最后一个等待者，紧接着第4行的的判断，判断最后一个等待者的waitStatus不是CONDITION的话，执行第5行的代码，解绑取消的等待者，因为通过第8行的代码，我们看到，new出来的Node的状态都是CONDITION的。

那么unlinkCancelledWaiters做了什么？里面的流程就不看了，就是一些指针遍历并判断状态的操作，总结一下就是：从头到尾遍历每一个Node，遇到Node的waitStatus不是CONDITION的就从队列中踢掉，该节点的前后节点相连。

接着第8行的代码前面说过了，new出来了一个Node，存储了当前线程，waitStatus是CONDITION，接着第9行~第13行的操作很好理解：

如果lastWaiter是null，说明FIFO队列中没有任何Node，firstWaiter=Node
如果lastWaiter不是null，说明FIFO队列中有Node，原lastWaiter的next指向Node
无论如何，新加入的Node编程lastWaiter，即新加入的Node一定是在最后面

用一张图表示一下构建的数据结构就是：

对比学习，我们总结一下Condition构建出来的队列和AbstractQueuedSynchronizer构建出来的队列的差别，主要体现在2点上：

AbstractQueuedSynchronizer构建出来的队列，头节点是一个没有Thread的空节点，其标识作用，而Condition构建出来的队列，头节点就是真正等待的节点
AbstractQueuedSynchronizer构建出来的队列，节点之间有next与pred相互标识该节点的前一个节点与后一个节点的地址，而Condition构建出来的队列，只使用了nextWaiter标识下一个等待节点的地址

整个过程中，我们看到没有使用任何CAS操作，firstWaiter和lastWaiter也没有用volatile修饰，其实原因很简单：要await()必然要先lock()，既然lock()了就表示没有竞争，没有竞争自然也没必要使用volatile+CAS的机制去保证什么。

Condition的await()方法实现原理----线程等待

前面我们看了Condition构建等待队列的过程，接下来我们看一下等待的过程，await()方法的代码比较短，再贴一下：

 1 public final void await() throws InterruptedException { 2     if (Thread.interrupted()) 3         throw new InterruptedException(); 4     Node node = addConditionWaiter(); 5     int savedState = fullyRelease(node); 6     int interruptMode = 0; 7     while (!isOnSyncQueue(node)) { 8         LockSupport.park(this); 9         if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)10             break;11     }12     if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)13         interruptMode = REINTERRUPT;14     if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled15         unlinkCancelledWaiters();16     if (interruptMode != 0)17         reportInterruptAfterWait(interruptMode);18 }

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构建完毕队列之后，执行第5行的fullyRelease方法，顾名思义：fullyRelease方法的作用是完全释放Node的状态。方法实现为：

 1 final int fullyRelease(Node node) { 2     boolean failed = true; 3     try { 4         int savedState = getState(); 5         if (release(savedState)) { 6             failed = false; 7             return savedState; 8         } else { 9             throw new IllegalMonitorStateException();10         }11     } finally {12         if (failed)13             node.waitStatus = Node.CANCELLED;14     }15 }

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这里第4行获取state，第5行release的时候将整个state传过去，理由是某线程可能多次调用了lock()方法，比如调用了10次lock，那么此线程就将state加到了10，所以这里要将10传过去，将状态全部释放，这样后面的线程才能重新从state=0开始竞争锁，这也是方法被命名为fullyRelease的原因，因为要完全释放锁，释放锁之后，如果有竞争锁的线程，那么就唤醒第一个，这都是release方法的逻辑了，前面的文章详细讲解过。

接着看await()方法的第7行判断"while(!isOnSyncQueue(node))"：

 1 final boolean isOnSyncQueue(Node node) { 2     if (node.waitStatus == Node.CONDITION || node.prev == null) 3         return false; 4     if (node.next != null) // If has successor, it must be on queue 5         return true; 6     /* 7      * node.prev can be non-null, but not yet on queue because 8      * the CAS to place it on queue can fail. So we have to 9      * traverse from tail to make sure it actually made it.  It10      * will always be near the tail in calls to this method, and11      * unless the CAS failed (which is unlikely), it will be12      * there, so we hardly ever traverse much.13      */14     return findNodeFromTail(node);15 }

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注意这里的判断是Node是否在AbstractQueuedSynchronizer构建的队列中而不是Node是否在Condition构建的队列中，如果Node不在AbstractQueuedSynchronizer构建的队列中，那么调用LockSupport的park方法阻塞。

至此调用await()方法的线程构建Condition等待队列--释放锁--等待的过程已经全部分析完毕。

Condition的signal()实现原理

上面的代码分析了构建Condition等待队列--释放锁--等待的过程，接着看一下signal()方法通知是如何实现的：

1 public final void signal() {2     if (!isHeldExclusively())3         throw new IllegalMonitorStateException();4     Node first = firstWaiter;5     if (first != null)6         doSignal(first);7 }

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首先从第2行的代码我们看到，要能signal()，当前线程必须持有独占锁，否则抛出异常IllegalMonitorStateException。

那么真正操作的时候，获取第一个waiter，如果有waiter，调用doSignal方法：

1 private void doSignal(Node first) {2     do {3         if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)4             lastWaiter = null;5         first.nextWaiter = null;6     } while (!transferForSignal(first) &&7              (first = firstWaiter) != null);8 }

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第3行~第5行的代码很好理解：

重新设置firstWaiter，指向第一个waiter的nextWaiter
如果第一个waiter的nextWaiter为null，说明当前队列中只有一个waiter，lastWaiter置空
因为firstWaiter是要被signal的，因此它没什么用了，nextWaiter置空

接着执行第6行和第7行的代码，这里重点就是第6行的transferForSignal方法：

 1 final boolean transferForSignal(Node node) { 2     /* 3      * If cannot change waitStatus, the node has been cancelled. 4      */ 5     if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0)) 6         return false; 7  8     /* 9      * Splice onto queue and try to set waitStatus of predecessor to10      * indicate that thread is (probably) waiting. If cancelled or11      * attempt to set waitStatus fails, wake up to resync (in which12      * case the waitStatus can be transiently and harmlessly wrong).13      */14     Node p = enq(node);15     int ws = p.waitStatus;16     if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))17         LockSupport.unpark(node.thread);18     return true;19 }

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方法本意是将一个节点从Condition队列转换为AbstractQueuedSynchronizer队列，总结一下方法的实现：

尝试将Node的waitStatus从CONDITION置为0，这一步失败直接返回false
当前节点进入调用enq方法进入AbstractQueuedSynchronizer队列
当前节点通过CAS机制将waitStatus置为SIGNAL

最后上面的步骤全部成功，返回true，返回true唤醒等待节点成功。从唤醒的代码我们可以得出一个重要结论：某个await()的节点被唤醒之后并不意味着它后面的代码会立即执行，它会被加入到AbstractQueuedSynchronizer队列的尾部，只有前面等待的节点获取锁全部完毕才能轮到它。

代码分析到这里，我想类似的signalAll方法也没有必要再分析了，显然signalAll方法的作用就是将所有Condition队列中等待的节点逐一队列中从移除，由CONDITION状态变为SIGNAL状态并加入AbstractQueuedSynchronizer队列的尾部。

代码示例

可能大家看了我分析半天代码会有点迷糊，这里最后我贴一段我用于验证上面Condition结论的示例代码，首先建立一个Thread，我将之命名为ConditionThread：

 1 /** 2  * @author 五月的仓颉 3  */ 4 public class ConditionThread implements Runnable { 5  6     private Lock lock; 7      8     private Condition condition; 9     10     public ConditionThread(Lock lock, Condition condition) {11         this.lock = lock;12         this.condition = condition;13     }14     15     @Override16     public void run() {17         18         if ("线程0".equals(JdkUtil.getThreadName())) {19             thread0Process();20         } else if ("线程1".equals(JdkUtil.getThreadName())) {21             thread1Process();22         } else if ("线程2".equals(JdkUtil.getThreadName())) {23             thread2Process();24         }25         26     }27     28     private void thread0Process() {29         try {30             lock.lock();31             System.out.println("线程0休息5秒");32             JdkUtil.sleep(5000);33             condition.signal();34             System.out.println("线程0唤醒等待线程");35         } finally {36             lock.unlock();37         }38     }39     40     private void thread1Process() {41         try {42             lock.lock();43             System.out.println("线程1阻塞");44             condition.await();45             System.out.println("线程1被唤醒");46         } catch (InterruptedException e) {47             48         } finally {49             lock.unlock();50         }51     }52     53     private void thread2Process() {54         try {55             System.out.println("线程2想要获取锁");56             lock.lock();57             System.out.println("线程2获取锁成功");58         } finally {59             lock.unlock();60         }61     }62     63 }

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这个类里面的方法就不解释了，反正就三个方法片段，根据线程名判断，每个线层执行的是其中的一个代码片段。写一段测试代码：

 1 /** 2  * @author 五月的仓颉 3  */ 4 @Test 5 public void testCondition() throws Exception { 6     Lock lock = new ReentrantLock(); 7     Condition condition = lock.newCondition(); 8          9     // 线程0的作用是signal10     Runnable runnable0 = new ConditionThread(lock, condition);11     Thread thread0 = new Thread(runnable0);12     thread0.setName("线程0");13     // 线程1的作用是await14     Runnable runnable1 = new ConditionThread(lock, condition);15     Thread thread1 = new Thread(runnable1);16     thread1.setName("线程1");17     // 线程2的作用是lock18     Runnable runnable2 = new ConditionThread(lock, condition);19     Thread thread2 = new Thread(runnable2);20     thread2.setName("线程2");21         22     thread1.start();23     Thread.sleep(1000);24     thread0.start();25     Thread.sleep(1000);26     thread2.start();27         28     thread1.join();29 }

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测试代码的意思是：

线程1先启动，获取锁，调用await()方法等待
线程0后启动，获取锁，休眠5秒准备signal()
线程2最后启动，获取锁，由于线程0未使用完毕锁，因此线程2排队，可以此时由于线程0还未signal()，因此线程1在线程0执行signal()后，在AbstractQueuedSynchronizer队列中的顺序是在线程2后面的

代码执行结果为：

<span style="color: #008080"> 1</span> <span style="color: #000000">线程1阻塞</span><span style="color: #008080"> 2</span> <span style="color: #000000">线程0休息5秒</span><span style="color: #008080"> 3</span> <span style="color: #000000">线程2想要获取锁</span><span style="color: #008080"> 4</span> <span style="color: #000000">线程0唤醒等待线程</span><span style="color: #008080"> 5</span> <span style="color: #000000">线程2获取锁成功</span><span style="color: #008080"> 6</span> <span style="color: #000000">线程1被唤醒</span><span style="color: #008080"><br></span>

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符合我们的结论：signal()并不意味着被唤醒的线程立即执行。由于线程2先于线程0排队，因此看到第5行打印的内容，线程2先获取锁。

以上是共享模式與基於Condition的等待/通知實例詳解的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！

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