Java Thread&Concurrency(14): 深入理解條件隊列(Condition)及其實現原理

對於可重入鎖(ReentrantLock)的使用以及它的實現我們都已經熟悉了,本文來探究與其緊密相關的條件隊列的具體實現。

在java中,所謂的條件(condition)是在已經持有鎖的情況下,由newCondition方法創建出來。我們使用它做await或者signal等操作,效果是釋放鎖進入相關的條件隊列,以及傳遞喚醒信號。那麼也就是說調用await直到返回,會發生如下三件事:

  • 釋放鎖
  • 嘗試進入相關條件隊列並阻塞
  • 重新獲取鎖
重新獲取鎖可能是接受到signal信號,或者由於超時或者中斷,暫時不深究。
我們來看具體的代碼是如何組織的:
        public final void await() throws InterruptedException {
            if (Thread.interrupted())
                throw new InterruptedException();
            Node node = addConditionWaiter();
            int savedState = fullyRelease(node);
            int interruptMode = 0;
            while (!isOnSyncQueue(node)) {
                LockSupport.park(this);
                if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
                    break;
            }
            if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
                interruptMode = REINTERRUPT;
            if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
                unlinkCancelledWaiters();
            if (interruptMode != 0)
                reportInterruptAfterWait(interruptMode);
        }
這是個可中斷版本:
  • 如果中斷,拋出InterruptedException異常(此時還未釋放鎖)。
  • 構造相關隊列上的節點。
  • 保存鎖的state狀態值,遞減statue值,喚醒鎖隊列中下一個線程。
  • 當前線程不在鎖隊列中時,嘗試阻塞當前線程(park),檢查中斷狀態,並在中斷時嘗試從條件隊列中移動節點到鎖隊列(這一步可能會合signal發生競爭,這裏使用CAS-waitStatue來協作),保存中斷狀態值interruptMode。
  • 節點已處於鎖隊列,調用acquireQueued,執行正常的鎖獲取流程,並且根據返回值與interruptMode配合重置interruptMode的值。
  • 取消不要的節點(輔助操作)。
  • 根據interruptMode來拋出InterruptedException或者重置異常狀態,當然可能什麼都不做。
我們再來看看與其緊密配合的signal操作:
        public final void signal() {
            if (!isHeldExclusively())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            Node first = firstWaiter;
            if (first != null)
                doSignal(first);
        }
        private void doSignal(Node first) {
            do {
                if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
                    lastWaiter = null;
                first.nextWaiter = null;
            } while (!transferForSignal(first) &&
                     (first = firstWaiter) != null);
        }
    final boolean transferForSignal(Node node) {
        /*
         * If cannot change waitStatus, the node has been cancelled.
         */
        if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
            return false;

        /*
         * Splice onto queue and try to set waitStatus of predecessor to
         * indicate that thread is (probably) waiting. If cancelled or
         * attempt to set waitStatus fails, wake up to resync (in which
         * case the waitStatus can be transiently and harmlessly wrong).
         */
        Node p = enq(node);
        int ws = p.waitStatus;
        if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
            LockSupport.unpark(node.thread);
        return true;
    }
這裏的重點是transferForSignal方法:
  • 嘗試CAS節點的waitStatue值,假如失敗,說明已經不爲Node.CONDITION,返回false引起嘗試下一個。
  • 進入鎖隊列,並且嘗試CAS前驅節點的waitStatue改爲Node.SIGNAL,假如失敗(前驅節點被取消),則喚醒當前節點(個人認爲這一步不是必須,因爲解鎖操作中會保持喚醒)。
  • 返回true結束。

以上節點的同步由鎖來保證(實際上是對state變量的happens-before的應用)。
有趣的一點在於,當調用await的線程中斷時,它必須通過CAS操作成功,那麼在獲取鎖之後纔會拋出中斷異常,否則只是重置中斷狀態,也就是中斷時候CAS操作與signal競爭失敗的情況。

以下提供await的超時版本:
        public final long awaitNanos(long nanosTimeout)
                throws InterruptedException {
            if (Thread.interrupted())
                throw new InterruptedException();
            Node node = addConditionWaiter();
            int savedState = fullyRelease(node);
            final long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout;
            int interruptMode = 0;
            while (!isOnSyncQueue(node)) {
                if (nanosTimeout <= 0L) {
                    transferAfterCancelledWait(node);
                    break;
                }
                if (nanosTimeout >= spinForTimeoutThreshold)
                    LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
                if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
                    break;
                nanosTimeout = deadline - System.nanoTime();
            }
            if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
                interruptMode = REINTERRUPT;
            if (node.nextWaiter != null)
                unlinkCancelledWaiters();
            if (interruptMode != 0)
                reportInterruptAfterWait(interruptMode);
            return deadline - System.nanoTime();
        }
超時版本改變了在條件隊列中的阻塞方式,採用了限時阻塞,並且在超時情況下直接調用了轉移節點的方法,返回值表示剩餘時間。
另外兩個限時版本await(long, TimeUnit)和awaitUntil與此類似,不可中斷版本awaitUninterruptibly只響應signal,並且只是重置中斷,不拋出中斷異常。






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