1 簡介
Condition中的await()方法相當於Object的wait()方法，Condition中的signal()方法相當於Object的notify()方法，Condition中的signalAll()相當於Object的notifyAll()方法。
不同的是，Object中的wait(),notify(),notifyAll()方法是和"同步鎖"(synchronized關鍵字)捆綁使用的；而Condition是需要與"互斥鎖"/"共享鎖"捆綁使用的。
2 Condition的實現分析
Condition是同步器AbstractQueuedSynchronized的內部類，因爲Condition的操作需要獲取相關的鎖，所以作爲同步器的內部類比較合理。每個Condition對象都包含着一個隊列（等待隊列），該隊列是Condition對象實現等待/通知功能的關鍵。
等待隊列：
等待隊列是一個FIFO的隊列，隊列的每一個節點都包含了一個線程引用，該線程就是在Condition對象上等待的線程，如果一個線程調用了await()方法，該線程就會釋放鎖、構造成節點進入等待隊列並進入等待狀態。
這裏的節點定義也就是AbstractQueuedSynchronizer.Node的定義。
一個Condition包含一個等待隊列，Condition擁有首節點（firstWaiter）和尾節點（lastWaiter）。當前線程調用Condition.await()方法時，將會以當前線程構造節點，並將節點從尾部加入等待隊列。
在Object的監視器模型上，一個對象擁有一個同步隊列和等待隊列，而Lock（同步器）擁有一個同步隊列和多個等待隊列。
等待（await）：AbstractQueuedLongSynchronizer中實現
調用Condition的await()方法，會使當前線程進入等待隊列並釋放鎖，同時線程狀態變爲等待狀態。
從隊列的角度來看，相當於同步隊列的首節點（獲取了鎖的節點）移動到Condition的等待隊列中。
當等待隊列中的節點被喚醒，則喚醒節點的線程開始嘗試獲取同步狀態。如果不是通過Condition.signal()方法喚醒，而是對等待線程進行中斷，則拋出InterruptedException。
public final void await() throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
Node node = addConditionWaiter();
long 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);
}
Condition等待通知的本質
總的來說，Condition的本質就是等待隊列和同步隊列的交互：
當一個持有鎖的線程調用Condition.await()時，它會執行以下步驟：
- 構造一個新的等待隊列節點加入到等待隊列隊尾
- 釋放鎖，也就是將它的同步隊列節點從同步隊列隊首移除
- 自旋，直到它在等待隊列上的節點移動到了同步隊列（通過其他線程調用signal()）或被中斷
- 阻塞當前節點，直到它獲取到了鎖，也就是它在同步隊列上的節點排隊排到了隊首。
當一個持有鎖的線程調用Condition.signal()時，它會執行以下操作：
從等待隊列的隊首開始，嘗試對隊首節點執行喚醒操作；如果節點CANCELLED，就嘗試喚醒下一個節點；如果再CANCELLED則繼續迭代。
對每個節點執行喚醒操作時，首先將節點加入同步隊列，此時await()操作的步驟3的解鎖條件就已經開啓了。然後分兩種情況討論：
- 如果先驅節點的狀態爲CANCELLED(>0) 或設置先驅節點的狀態爲SIGNAL失敗，那麼就立即喚醒當前節點對應的線程，此時await()方法就會完成步驟3，進入步驟4.
- 如果成功把先驅節點的狀態設置爲了SIGNAL，那麼就不立即喚醒了。等到先驅節點成爲同步隊列首節點並釋放了同步狀態後，會自動喚醒當前節點對應線程的，這時候await()的步驟3才執行完成，而且有很大概率快速完成步驟4.
通知（signal）：AbstractQueuedLongSynchronizer中實現
調用Condition的signal()方法，將會喚醒在等待隊列中等待時間最長的節點（首節點），在喚醒節點之前，會將節點移到同步隊列中。
Condition的signalAll()方法，相當於對等待隊列中的每個節點均執行一次signal()方法，將等待隊列中的節點全部移動到同步隊列中，並喚醒每個節點的線程。
public final void signal() {
if (!isHeldExclusively())
throw new IllegalMonitorStateException();
Node first = firstWaiter;
if (first != null)
doSignal(first);
}
public final void signalAll() {
if (!isHeldExclusively())
throw new IllegalMonitorStateException();
Node first = firstWaiter;
if (first != null)
doSignalAll(first);
}
最後還要注意,Java 中有 signal 和 signalAll 兩種方法,signal 是隨機解除一個等待集中的線程的阻塞狀態,signalAll 是解除所有等待集中的線程的阻塞狀態。signal 方法的效率會比 signalAll 高,但是它存在危險,因爲它一次只解除一個線程的阻塞狀態,因此,如果等待集中有多個線程都滿足了條件,也只能喚醒一個,其他的線程可能會導致死鎖
3 Condition 實例
消費生產者模式
public class ConditionTest {
public static void main(String[] args) {
// 倉庫
Depot depot = new Depot(100);
// 消費者
Consumer consumer = new Consumer(depot);
// 生產者
Produce produce = new Produce(depot);
produce.produceThing(5);
consumer.consumerThing(5);
produce.produceThing(2);
consumer.consumerThing(5);
produce.produceThing(3);
}
}
class Depot {
private int capacity;
private int size;
private Lock lock;
private Condition consumerCond;
private Condition produceCond;
public Depot(int capacity) {
this.capacity = capacity;
this.size = 0;
this.lock = new ReentrantLock();
this.consumerCond = lock.newCondition();
this.produceCond = lock.newCondition();
}
public void produce(int val) {
lock.lock();
try {
int left = val;
while (left > 0) {
while (size >= capacity) {
produceCond.await();
}
int produce = (left+size) > capacity ? (capacity-size) : left;
size += produce;
left -= produce;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ", ProduceVal=" + val + ", produce=" + produce + ", size=" + size);
consumerCond.signalAll();
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}
public void consumer(int val) {
lock.lock();
try {
int left = val;
while (left > 0) {
while (size <= 0) {
consumerCond.await();
}
int consumer = (size <= left) ? size : left;
size -= consumer;
left -= consumer;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ", ConsumerVal=" + val + ", consumer=" + consumer + ", size=" + size);
produceCond.signalAll();
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
class Consumer {
private Depot depot;
public Consumer(Depot depot) {
this.depot = depot;
}
public void consumerThing(final int amount) {
new Thread(new Runnable() {
public void run() {
depot.consumer(amount);
}
}).start();
}
}
class Produce {
private Depot depot;
public Produce(Depot depot) {
this.depot = depot;
}
public void produceThing(final int amount) {
new Thread(new Runnable() {
public void run() {
depot.produce(amount);
}
}).start();
}
}
Thread-0, ProduceVal=5, produce=5, size=5
Thread-1, ConsumerVal=5, consumer=5, size=0
Thread-2, ProduceVal=2, produce=2, size=2
Thread-3, ConsumerVal=5, consumer=2, size=0
Thread-4, ProduceVal=3, produce=3, size=3
Thread-3, ConsumerVal=5, consumer=3, size=0
輸出結果中，Thread-3出現兩次，就是因爲要消費5個產品，但倉庫中只有2個產品，所以先將庫存的2個產品全部消費，然後這個線程進入等待隊列，等待生產，隨後生產出了3個產品，生產者生產後又執行signalAll方法將等待隊列中所有的線程都喚醒，Thread-3繼續消費還需要的3個產品。
三個線程依次打印ABC
class Business {
private Lock lock = new ReentrantLock();
private Condition conditionA = lock.newCondition();
private Condition conditionB = lock.newCondition();
private Condition conditionC = lock.newCondition();
private String type = "A"; //內部狀態
/*
* 方法的基本要求爲：
* 1、該方法必須爲原子的。
* 2、當前狀態必須滿足條件。若不滿足，則等待；滿足，則執行業務代碼。
* 3、業務執行完畢後，修改狀態，並喚醒指定條件下的線程。
*/
public void printA() {
lock.lock(); //鎖，保證了線程安全。
try {
while (type != "A") { //type不爲A，
try {
conditionA.await(); //將當前線程阻塞於conditionA對象上，將被阻塞。
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
//type爲A，則執行。
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 正在打印A");
type = "B"; //將type設置爲B。
conditionB.signal(); //喚醒在等待conditionB對象上的一個線程。將信號傳遞出去。
} finally {
lock.unlock(); //解鎖
}
}
public void printB() {
lock.lock(); //鎖
try {
while (type != "B") { //type不爲B，
try {
conditionB.await(); //將當前線程阻塞於conditionB對象上，將被阻塞。
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
//type爲B，則執行。
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 正在打印B");
type = "C"; //將type設置爲C。
conditionC.signal(); //喚醒在等待conditionC對象上的一個線程。將信號傳遞出去。
} finally {
lock.unlock(); //解鎖
}
}
public void printC() {
lock.lock(); //鎖
try {
while (type != "C") {
try {
conditionC.await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 正在打印C");
type = "A";
conditionA.signal();
} finally {
lock.unlock(); //解鎖
}
}
}
public class ConditionTest{
public static void main(String[] args) {
final Business business = new Business();//業務對象。
//線程1號，打印10次A。
Thread ta = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for(int i=0;i<10;i++){
business.printA();
}
}
});
//線程2號，打印10次B。
Thread tb = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for(int i=0;i<10;i++){
business.printB();
}
}
});
//線程3號，打印10次C。
Thread tc = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for(int i=0;i<10;i++){
business.printC();
}
}
});
//執行3條線程。
ta.start();
tb.start();
tc.start();
}
}
Thread-0 正在打印A
Thread-1 正在打印B
Thread-2 正在打印C
Thread-0 正在打印A
Thread-1 正在打印B
Thread-2 正在打印C
Thread-0 正在打印A
Thread-1 正在打印B
Thread-2 正在打印C
Thread-0 正在打印A
Thread-1 正在打印B
Thread-2 正在打印C
Thread-0 正在打印A
Thread-1 正在打印B
Thread-2 正在打印C
Thread-0 正在打印A
Thread-1 正在打印B
Thread-2 正在打印C
Thread-0 正在打印A
Thread-1 正在打印B
Thread-2 正在打印C
Thread-0 正在打印A
Thread-1 正在打印B
Thread-2 正在打印C
Thread-0 正在打印A
Thread-1 正在打印B
Thread-2 正在打印C
Thread-0 正在打印A
Thread-1 正在打印B
Thread-2 正在打印C
虛假喚醒
所謂"虛假喚醒"，即其他地方的代碼觸發了condition.signal()，喚醒condition上等待的線程。但被喚醒的線程仍然不滿足執行條件。
condition通常與條件語句一起使用：
if(!條件){
condition.await(); //不滿足條件，當前線程等待；
}
更好的方法是使用while：
while(!條件){
condition.await(); //不滿足條件，當前線程等待；
}
在等待Condition時，允許發生"虛假喚醒"，這通常作爲對基礎平臺語義的讓步。若使用"if(!條件)"則被"虛假喚醒"的線程可能繼續執行。所以"while(!條件)"可以防止"虛假喚醒"。建議總是假定這些"虛假喚醒"可能發生，因此總是在一個循環中等待。
總結
如果知道Object的等待通知機制，Condition的使用是比較容易掌握的，因爲和Object等待通知的使用基本一致。
對Condition的源碼理解，主要就是理解等待隊列，等待隊列可以類比同步隊列，而且等待隊列比同步隊列要簡單，因爲等待隊列是單向隊列，同步隊列是雙向隊列。
以下是筆者對等待隊列是單向隊列、同步隊列是雙向隊列的一些思考，歡迎提出不同意見：
之所以同步隊列要設計成雙向的，是因爲在同步隊列中，節點喚醒是接力式的，由每一個節點喚醒它的下一個節點，如果是由next指針獲取下一個節點，是有可能獲取失敗的，因爲虛擬隊列每添加一個節點，是先用CAS把tail設置爲新節點，然後才修改原tail的next指針到新節點的。因此用next向後遍歷是不安全的，但是如果在設置新節點爲tail前，爲新節點設置prev，則可以保證從tail往前遍歷是安全的。因此要安全的獲取一個節點Node的下一個節點，先要看next是不是null，如果是null，還要從tail往前遍歷看看能不能遍歷到Node。
而等待隊列就簡單多了，等待的線程就是等待者，只負責等待，喚醒的線程就是喚醒者，只負責喚醒，因此每次要執行喚醒操作的時候，直接喚醒等待隊列的首節點就行了。等待隊列的實現中不需要遍歷隊列，因此也不需要prev指針。
特別感謝
Java多線程——Condition條件
Java併發——使用Condition線程間通信
Java顯式鎖學習總結之六：Condition源碼分析