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死磕 java同步系列之ReentrantLock源码解析(二)——条件锁

程序员文章站 2022-10-08 17:28:51
条件锁是什么? 条件锁适用于什么场景? 条件锁的await()是在其它线程signal()的时候唤醒的吗? ......

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):

死磕 java同步系列之ReentrantLock源码解析(二)——条件锁

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。

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