死磕 java同步系列之ReentrantLock源码解析(二)——条件锁

in 编程
关注公众号【好便宜】( ID:haopianyi222 ),领红包啦~
阿里云,国内最大的云服务商,注册就送数千元优惠券:https://t.cn/AiQe5A0g
腾讯云,良心云,价格优惠: https://t.cn/AieHwwKl
搬瓦工,CN2 GIA 优质线路,搭梯子、海外建站推荐: https://t.cn/AieHwfX9

问题

(1)条件锁是什么?

(2)条件锁适用于什么场景?

(3)条件锁的await()是在其它线程signal()的时候唤醒的吗?

简介

条件锁,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,下面我们通过一个例子来进入到条件锁的学习中。

使用示例

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();

        new Thread(()->{
            try {
                lock.lock();  // 1
                try {
                    System.out.println("before await");  // 2
                    // 等待条件
                    condition.await();  // 3
                    System.out.println("after await");  // 10
                } finally {
                    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);
        lock.lock();  // 4
        try {
            // 这里睡2000ms代表这个线程执行业务需要的时间
            Thread.sleep(2000);  // 5
            System.out.println("before signal");  // 6
            // 通知条件已成立
            condition.signal();  // 7
            System.out.println("after signal");  // 8
        } finally {
            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,如果你能把这个顺序看懂基本条件锁掌握得差不多了。

源码分析

ConditionObject的主要属性

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;
}

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,它们是干什么的呢?接着看。

lock.newCondition()方法

新建一个条件锁。

// ReentrantLock.newCondition()
public Condition newCondition() {
    return sync.newCondition();
}
// ReentrantLock.Sync.newCondition()
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。

condition.await()方法

condition.await()方法,表明现在要等待条件的出现。

// 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);
    int interruptMode = 0;
    // 是否在同步队列中
    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,尝试去获取锁
        
        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
            break;
    }
    
    // 尝试获取锁,注意第二个参数,这是上一章分析过的方法
    // 如果没获取到会再次阻塞(这个方法这里就不贴出来了,有兴趣的翻翻上一章的内容)
    if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
        interruptMode = REINTERRUPT;
    // 清除取消的节点
    if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
        unlinkCancelledWaiters();
    // 线程中断相关
    if (interruptMode != 0)
        reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}
// AbstractQueuedSynchronizer.ConditionObject.addConditionWaiter
private Node addConditionWaiter() {
    Node t = lastWaiter;
    // 如果条件队列的尾节点已取消,从头节点开始清除所有已取消的节点
    if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
        unlinkCancelledWaiters();
        // 重新获取尾节点
        t = lastWaiter;
    }
    // 新建一个节点,它的等待状态是CONDITION
    Node 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;
    else
        t.nextWaiter = node;
    // 尾节点指向新节点
    lastWaiter = node;
    // 返回新节点
    return node;
}
// AbstractQueuedSynchronizer.fullyRelease
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
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 queue
        return 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);
}

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。

如果弄明白了这几个点,看懂上面的代码还是轻松加愉快的,如果没弄明白,彤哥这里指出来了,希望您回头再看看上面的代码。

下面总结一下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。

condition.signal()方法

condition.signal()方法通知条件已经出现。

// 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) {
    do {
        // 移到条件队列的头节点往后一位
        if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
            lastWaiter = null;
        // 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
    } while (!transferForSignal(first) &&
             (first = firstWaiter) != null);
}
// AbstractQueuedSynchronizer.transferForSignal
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?

还记得开头例子吗?倒回去再好好看看,signal()方法后,最终会执行lock.unlock()方法,此时才会真正唤醒一个节点,唤醒的这个节点如果曾经是条件节点的话又会继续执行await()方法“分界线”下面的代码。

结束了,仔细体会下^^

如果非要用一个图来表示的话,我想下面这个图可以大致表示一下(这里是用时序图画的,但是实际并不能算作一个真正的时序图哈,了解就好):

ReentrantLock

总结

(1)重入锁是指可重复获取的锁,即一个线程获取锁之后再尝试获取锁时会自动获取锁;

(2)在ReentrantLock中重入锁是通过不断累加state变量的值实现的;

(3)ReentrantLock的释放要跟获取匹配,即获取了几次也要释放几次;

(4)ReentrantLock默认是非公平模式,因为非公平模式效率更高;

(5)条件锁是指为了等待某个条件出现而使用的一种锁;

(6)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;

(7)ReentrantLock中的条件锁是通过AQS的ConditionObject内部类实现的;

(8)await()和signal()方法都必须在获取锁之后释放锁之前使用;

(9)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;

(10)signal()方法会寻找条件队列中第一个可用节点移到AQS队列中;

(11)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);

(12)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。

彩蛋

为什么java有自带的关键字synchronized了还需要实现一个ReentrantLock呢?

首先,它们都是可重入锁;

其次,它们都默认是非公平模式;

然后,...,呃,我们下一章继续深入探讨 ReentrantLock VS synchronized。

推荐阅读

  1. 死磕 java同步系列之ReentrantLock源码解析(一)——公平锁、非公平锁

  2. 死磕 java同步系列之AQS起篇

  3. 死磕 java同步系列之自己动手写一个锁Lock

  4. 死磕 java魔法类之Unsafe解析

  5. 死磕 java同步系列之JMM(Java Memory Model)

  6. 死磕 java同步系列之volatile解析

  7. 死磕 java同步系列之synchronized解析


欢迎关注我的公众号“彤哥读源码”,查看更多源码系列文章, 与彤哥一起畅游源码的海洋。

qrcode

关注公众号【好便宜】( ID:haopianyi222 ),领红包啦~
阿里云,国内最大的云服务商,注册就送数千元优惠券:https://t.cn/AiQe5A0g
腾讯云,良心云,价格优惠: https://t.cn/AieHwwKl
搬瓦工,CN2 GIA 优质线路,搭梯子、海外建站推荐: https://t.cn/AieHwfX9
扫一扫关注公众号添加购物返利助手,领红包
Comments are closed.

推荐使用阿里云服务器

超多优惠券

服务器最低一折,一年不到100!

朕已阅去看看