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Java并发系列[4]—-AbstractQueuedSynchronizer源码分析之条件队列

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通过前面三篇的分析,我们深入了解了AbstractQueuedSynchronizer的内部结构和一些设计理念,知道了AbstractQueuedSynchronizer内部维护了一个同步状态和两个排队区,这两个排队区分别是同步队列和条件队列。我们还是拿公共厕所做比喻,同步队列是主要的排队区,如果公共厕所没开放,所有想要进入厕所的人都得在这里排队。而条件队列主要是为条件等待设置的,我们想象一下如果一个人通过排队终于成功获取锁进入了厕所,但在方便之前发现自己没带手纸,碰到这种情况虽然很无奈,但是它也必须接受这个事实,这时它只好乖乖的出去先准备好手纸(进入条件队列等待),当然在出去之前还得把锁给释放了好让其他人能够进来,在准备好了手纸(条件满足)之后它又得重新回到同步队列中去排队。当然进入房间的人并不都是因为没带手纸,可能还有其他一些原因必须中断操作先去条件队列中去排队,所以条件队列可以有多个,依不同的等待条件而设置不同的条件队列。条件队列是一条单向链表,Condition接口定义了条件队列中的所有操作,AbstractQueuedSynchronizer内部的ConditionObject类实现了Condition接口,下面我们看看Condition接口都定义了哪些操作。

 public interface Condition {

     //响应线程中断的条件等待
     void await() throws InterruptedException;

     //不响应线程中断的条件等待
     void awaitUninterruptibly();

     //设置相对时间的条件等待(不进行自旋)
     long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;

     //设置相对时间的条件等待(进行自旋)
     boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

     //设置绝对时间的条件等待
     boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;

     //唤醒条件队列中的头结点
     void signal();

     //唤醒条件队列的所有结点
     void signalAll();

 }

Condition接口虽然定义了这么多方法,但总共就分为两类,以await开头的是线程进入条件队列等待的方法,以signal开头的是将条件队列中的线程“唤醒”的方法。这里要注意的是,调用signal方法可能唤醒线程也可能不会唤醒线程,什么时候会唤醒线程这得看情况,后面会讲到,但是调用signal方法一定会将线程从条件队列中移到同步队列尾部。这里为了叙述方便,我们先暂时不纠结这么多,统一称signal方法为唤醒条件队列线程的操作。大家注意看一下,await方法分为5种,分别是响应线程中断等待,不响应线程中断等待,设置相对时间不自旋等待,设置相对时间自旋等待,设置绝对时间等待;signal方法只有2种,分别是只唤醒条件队列头结点和唤醒条件队列所有结点的操作。同一类的方法基本上是相通的,由于篇幅所限,我们不可能也不需要将这些方法全部仔细的讲到,只需要将一个代表方法搞懂了再看其他方法就能够触类旁通。所以在本文中我只会细讲await方法和signal方法,其他方法不细讲但会贴出源码来以供大家参考。

1、 响应线程中断的条件等待

 //响应线程中断的条件等待
 public final void await() throws InterruptedException {
     //如果线程被中断则抛出异常
     if (Thread.interrupted()) {
         throw new InterruptedException();
     }
     //将当前线程添加到条件队列尾部
     Node node = addConditionWaiter();
     //在进入条件等待之前先完全释放锁
     int savedState = fullyRelease(node);
     int interruptMode = 0;
     //线程一直在while循环里进行条件等待
     while (!isOnSyncQueue(node)) {
         //进行条件等待的线程都在这里被挂起, 线程被唤醒的情况有以下几种:
         //1.同步队列的前继结点已取消
         //2.设置同步队列的前继结点的状态为SIGNAL失败
         //3.前继结点释放锁后唤醒当前结点
         LockSupport.park(this);
         //当前线程醒来后立马检查是否被中断, 如果是则代表结点取消条件等待, 此时需要将结点移出条件队列
         if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) {
             break;
         }
     }
     //线程醒来后就会以独占模式获取锁
     if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE) {
         interruptMode = REINTERRUPT;
     }
     //这步操作主要为防止线程在signal之前中断而导致没与条件队列断绝联系
     if (node.nextWaiter != null) {
         unlinkCancelledWaiters();
     }
     //根据中断模式进行响应的中断处理
     if (interruptMode != 0) {
         reportInterruptAfterWait(interruptMode);
     }
 }

当线程调用await方法的时候,首先会将当前线程包装成node结点放入条件队列尾部。在addConditionWaiter方法中,如果发现条件队列尾结点已取消就会调用unlinkCancelledWaiters方法将条件队列所有的已取消结点清空。这步操作是插入结点的准备工作,那么确保了尾结点的状态也是CONDITION之后,就会新建一个node结点将当前线程包装起来然后放入条件队列尾部。注意,这个过程只是将结点添加到同步队列尾部而没有挂起线程哦。

第二步:完全将锁释放

 //完全释放锁
 final int fullyRelease(Node node) {
     boolean failed = true;
     try {
         //获取当前的同步状态
         int savedState = getState();
         //使用当前的同步状态去释放锁
         if (release(savedState)) {
             failed = false;
             //如果释放锁成功就返回当前同步状态
             return savedState;
         } else {
             //如果释放锁失败就抛出运行时异常
             throw new IllegalMonitorStateException();
         }
     } finally {
         //保证没有成功释放锁就将该结点设置为取消状态
         if (failed) {
             node.waitStatus = Node.CANCELLED;
         }
     }
 }

将当前线程包装成结点添加到条件队列尾部后,紧接着就调用fullyRelease方法释放锁。注意,方法名为fullyRelease也就这步操作会完全的释放锁,因为锁是可重入的,所以在进行条件等待前需要将锁全部释放了,不然的话别人就获取不了锁了。如果释放锁失败的话就会抛出一个运行时异常,如果成功释放了锁的话就返回之前的同步状态。

第三步:进行条件等待

 //线程一直在while循环里进行条件等待
 while (!isOnSyncQueue(node)) {
     //进行条件等待的线程都在这里被挂起, 线程被唤醒的情况有以下几种:
     //1.同步队列的前继结点已取消
     //2.设置同步队列的前继结点的状态为SIGNAL失败
     //3.前继结点释放锁后唤醒当前结点
     LockSupport.park(this);
     //当前线程醒来后立马检查是否被中断, 如果是则代表结点取消条件等待, 此时需要将结点移出条件队列
     if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) {
         break;
     }
 }

 //检查条件等待时的线程中断情况
 private int checkInterruptWhileWaiting(Node node) {
     //中断请求在signal操作之前:THROW_IE
     //中断请求在signal操作之后:REINTERRUPT
     //期间没有收到任何中断请求:0
     return Thread.interrupted() ? (transferAfterCancelledWait(node) ? THROW_IE : REINTERRUPT) : 0;
 }

 //将取消条件等待的结点从条件队列转移到同步队列中
 final boolean transferAfterCancelledWait(Node node) {
     //如果这步CAS操作成功的话就表明中断发生在signal方法之前
     if (compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0)) {
         //状态修改成功后就将该结点放入同步队列尾部
         enq(node);
         return true;
     }
     //到这里表明CAS操作失败, 说明中断发生在signal方法之后
     while (!isOnSyncQueue(node)) {
         //如果sinal方法还没有将结点转移到同步队列, 就通过自旋等待一下
         Thread.yield();
     }
     return false;
 }

在以上两个操作完成了之后就会进入while循环,可以看到while循环里面首先调用LockSupport.park(this)将线程挂起了,所以线程就会一直在这里阻塞。在调用signal方法后仅仅只是将结点从条件队列转移到同步队列中去,至于会不会唤醒线程需要看情况。如果转移结点时发现同步队列中的前继结点已取消,或者是更新前继结点的状态为SIGNAL失败,这两种情况都会立即唤醒线程,否则的话在signal方法结束时就不会去唤醒已在同步队列中的线程,而是等到它的前继结点来唤醒。当然,线程阻塞在这里除了可以调用signal方法唤醒之外,线程还可以响应中断,如果线程在这里收到中断请求就会继续往下执行。可以看到线程醒来后会马上检查是否是由于中断唤醒的还是通过signal方法唤醒的,如果是因为中断唤醒的同样会将这个结点转移到同步队列中去,只不过是通过调用transferAfterCancelledWait方法来实现的。最后执行完这一步之后就会返回中断情况并跳出while循环。

第四步:结点移出条件队列后的操作

 //线程醒来后就会以独占模式获取锁
 if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE) {
     interruptMode = REINTERRUPT;
 }
 //这步操作主要为防止线程在signal之前中断而导致没与条件队列断绝联系
 if (node.nextWaiter != null) {
     unlinkCancelledWaiters();
 }
 //根据中断模式进行响应的中断处理
 if (interruptMode != 0) {
     reportInterruptAfterWait(interruptMode);
 }

 //结束条件等待后根据中断情况做出相应处理
 private void reportInterruptAfterWait(int interruptMode) throws InterruptedException {
     //如果中断模式是THROW_IE就抛出异常
     if (interruptMode == THROW_IE) {
         throw new InterruptedException();
     //如果中断模式是REINTERRUPT就自己挂起
     } else if (interruptMode == REINTERRUPT) {
         selfInterrupt();
     }
 }

当线程终止了while循环也就是条件等待后,就会回到同步队列中。不管是因为调用signal方法回去的还是因为线程中断导致的,结点最终都会在同步队列中。这时就会调用acquireQueued方法执行在同步队列中获取锁的操作,这个方法我们在独占模式这一篇已经详细的讲过。也就是说,结点从条件队列出来后又是乖乖的走独占模式下获取锁的那一套,等这个结点再次获得锁之后,就会调用reportInterruptAfterWait方法来根据这期间的中断情况做出相应的响应。如果中断发生在signal方法之前,interruptMode就为THROW_IE,再次获得锁后就抛出异常;如果中断发生在signal方法之后,interruptMode就为REINTERRUPT,再次获得锁后就重新中断。

2、不响应线程中断的条件等待

 //不响应线程中断的条件等待
 public final void awaitUninterruptibly() {
     //将当前线程添加到条件队列尾部
     Node node = addConditionWaiter();
     //完全释放锁并返回当前同步状态
     int savedState = fullyRelease(node);
     boolean interrupted = false;
     //结点一直在while循环里进行条件等待
     while (!isOnSyncQueue(node)) {
         //条件队列中所有的线程都在这里被挂起
         LockSupport.park(this);
         //线程醒来发现中断并不会马上去响应
         if (Thread.interrupted()) {
             interrupted = true;
         }
     }
     if (acquireQueued(node, savedState) || interrupted) {
         //在这里响应所有中断请求, 满足以下两个条件之一就会将自己挂起
         //1.线程在条件等待时收到中断请求
         //2.线程在acquireQueued方法里收到中断请求
         selfInterrupt();
     }
 }

3、设置相对时间的条件等待(不进行自旋)

 //设置定时条件等待(相对时间), 不进行自旋等待
 public final long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException {
     //如果线程被中断则抛出异常
     if (Thread.interrupted()) {
         throw new InterruptedException();
     }
     //将当前线程添加到条件队列尾部
     Node node = addConditionWaiter();
     //在进入条件等待之前先完全释放锁
     int savedState = fullyRelease(node);
     long lastTime = System.nanoTime();
     int interruptMode = 0;
     while (!isOnSyncQueue(node)) {
         //判断超时时间是否用完了
         if (nanosTimeout <= 0L) {
             //如果已超时就需要执行取消条件等待操作
             transferAfterCancelledWait(node);
             break;
         }
         //将当前线程挂起一段时间, 线程在这期间可能被唤醒, 也可能自己醒来
         LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
         //线程醒来后先检查中断信息
         if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) {
             break;
         }
         long now = System.nanoTime();
         //超时时间每次减去条件等待的时间
         nanosTimeout -= now - lastTime;
         lastTime = now;
     }
     //线程醒来后就会以独占模式获取锁
     if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE) {
         interruptMode = REINTERRUPT;
     }
     //由于transferAfterCancelledWait方法没有把nextWaiter置空, 所有这里要再清理一遍
     if (node.nextWaiter != null) {
         unlinkCancelledWaiters();
     }
     //根据中断模式进行响应的中断处理
     if (interruptMode != 0) {
         reportInterruptAfterWait(interruptMode);
     }
     //返回剩余时间
     return nanosTimeout - (System.nanoTime() - lastTime);
 }

4、设置相对时间的条件等待(进行自旋)

 //设置定时条件等待(相对时间), 进行自旋等待
 public final boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
     if (unit == null) { throw new NullPointerException(); }
     //获取超时时间的毫秒数
     long nanosTimeout = unit.toNanos(time);
     //如果线程被中断则抛出异常
     if (Thread.interrupted()) { throw new InterruptedException(); }
     //将当前线程添加条件队列尾部
     Node node = addConditionWaiter();
     //在进入条件等待之前先完全释放锁
     int savedState = fullyRelease(node);
     //获取当前时间的毫秒数
     long lastTime = System.nanoTime();
     boolean timedout = false;
     int interruptMode = 0;
     while (!isOnSyncQueue(node)) {
         //如果超时就需要执行取消条件等待操作
         if (nanosTimeout <= 0L) {
             timedout = transferAfterCancelledWait(node);
             break;
         }
         //如果超时时间大于自旋时间, 就将线程挂起一段时间
         if (nanosTimeout >= spinForTimeoutThreshold) {
             LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
         }
         //线程醒来后先检查中断信息
         if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) {
             break;
         }
         long now = System.nanoTime();
         //超时时间每次减去条件等待的时间
         nanosTimeout -= now - lastTime;
         lastTime = now;
     }
     //线程醒来后就会以独占模式获取锁
     if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE) {
         interruptMode = REINTERRUPT;
     }
     //由于transferAfterCancelledWait方法没有把nextWaiter置空, 所有这里要再清理一遍
     if (node.nextWaiter != null) {
         unlinkCancelledWaiters();
     }
     //根据中断模式进行响应的中断处理
     if (interruptMode != 0) {
         reportInterruptAfterWait(interruptMode);
     }
     //返回是否超时标志
     return !timedout;
 }

5、设置绝对时间的条件等待

 //设置定时条件等待(绝对时间)
 public final boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException {
     if (deadline == null) { throw new NullPointerException(); } 
     //获取绝对时间的毫秒数
     long abstime = deadline.getTime();
     //如果线程被中断则抛出异常
     if (Thread.interrupted()) { throw new InterruptedException(); }
     //将当前线程添加到条件队列尾部
     Node node = addConditionWaiter();
     //在进入条件等待之前先完全释放锁
     int savedState = fullyRelease(node);
     boolean timedout = false;
     int interruptMode = 0;
     while (!isOnSyncQueue(node)) {
         //如果超时就需要执行取消条件等待操作
         if (System.currentTimeMillis() > abstime) {
             timedout = transferAfterCancelledWait(node);
             break;
         }
         //将线程挂起一段时间, 期间线程可能被唤醒, 也可能到了点自己醒来
         LockSupport.parkUntil(this, abstime);
         //线程醒来后先检查中断信息
         if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) {
             break;
         }
     }
     //线程醒来后就会以独占模式获取锁
     if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE) {
         interruptMode = REINTERRUPT;
     }
     //由于transferAfterCancelledWait方法没有把nextWaiter置空, 所有这里要再清理一遍
     if (node.nextWaiter != null) {
         unlinkCancelledWaiters();
     }
     //根据中断模式进行响应的中断处理
     if (interruptMode != 0) {
         reportInterruptAfterWait(interruptMode);
     }
     //返回是否超时标志
     return !timedout;
 }

6、唤醒条件队列中的头结点

 //唤醒条件队列中的下一个结点
 public final void signal() {
     //判断当前线程是否持有锁
     if (!isHeldExclusively()) {
         throw new IllegalMonitorStateException();
     }
     Node first = firstWaiter;
     //如果条件队列中有排队者
     if (first != null) {
         //唤醒条件队列中的头结点
         doSignal(first);
     }
 }

 //唤醒条件队列中的头结点
 private void doSignal(Node first) {
     do {
         //1.将firstWaiter引用向后移动一位
         if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null) {
             lastWaiter = null;
         }
         //2.将头结点的后继结点引用置空
         first.nextWaiter = null;
         //3.将头结点转移到同步队列, 转移完成后有可能唤醒线程
         //4.如果transferForSignal操作失败就去唤醒下一个结点
     } while (!transferForSignal(first) && (first = firstWaiter) != null);
 }

 //将指定结点从条件队列转移到同步队列中
 final boolean transferForSignal(Node node) {
     //将等待状态从CONDITION设置为0
     if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0)) {
         //如果更新状态的操作失败就直接返回false
         //可能是transferAfterCancelledWait方法先将状态改变了, 导致这步CAS操作失败
         return false;
     }
     //将该结点添加到同步队列尾部
     Node p = enq(node);
     int ws = p.waitStatus;
     if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL)) {
         //出现以下情况就会唤醒当前线程
         //1.前继结点是取消状态
         //2.更新前继结点的状态为SIGNAL操作失败
         LockSupport.unpark(node.thread);
     }
     return true;
 }

可以看到signal方法最终的核心就是去调用transferForSignal方法,在transferForSignal方法中首先会用CAS操作将结点的状态从CONDITION设置为0,然后再调用enq方法将该结点添加到同步队列尾部。我们再看到接下来的if判断语句,这个判断语句主要是用来判断什么时候会去唤醒线程,出现这两种情况就会立即唤醒线程,一种是当发现前继结点的状态是取消状态时,还有一种是更新前继结点的状态失败时。这两种情况都会马上去唤醒线程,否则的话就仅仅只是将结点从条件队列中转移到同步队列中就完了,而不会立马去唤醒结点中的线程。signalAll方法也大致类似,只不过它是去循环遍历条件队列中的所有结点,并将它们转移到同步队列,转移结点的方法也还是调用transferForSignal方法。

7、唤醒条件队列的所有结点

 //唤醒条件队列后面的全部结点
 public final void signalAll() {
     //判断当前线程是否持有锁
     if (!isHeldExclusively()) {
         throw new IllegalMonitorStateException();
     }
     //获取条件队列头结点
     Node first = firstWaiter;
     if (first != null) {
         //唤醒条件队列的所有结点
         doSignalAll(first);
     }
 }

 //唤醒条件队列的所有结点
 private void doSignalAll(Node first) {
     //先把头结点和尾结点的引用置空
     lastWaiter = firstWaiter = null;
     do {
         //先获取后继结点的引用
         Node next = first.nextWaiter;
         //把即将转移的结点的后继引用置空
         first.nextWaiter = null;
         //将结点从条件队列转移到同步队列
         transferForSignal(first);
         //将引用指向下一个结点
         first = next;
     } while (first != null);
 }

至此,我们整个的AbstractQueuedSynchronizer源码分析就结束了,相信通过这四篇的分析,大家能更好的掌握并理解AQS。这个类确实很重要,因为它是其他很多同步类的基石,由于笔者水平和表达能力有限,如果哪些地方没有表述清楚的,或者理解不到位的,还请广大读者们能够及时指正,共同探讨学习。可在下方留言阅读中所遇到的问题,如果有需要AQS注释源码的也可联系笔者索取。

注:以上全部分析基于JDK1.7,不同版本间会有差异,读者需要注意

文章永久链接:https://tech.souyunku.com/?p=15092


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