Condition底层机制剖析：多线程等待与通知机制

概述

Condition 是一个多线程协调通信的工具类，可以让某些线程一起等待某个条件(condition)，只有满足条件时，线程才会被唤醒。

• 在使用Lock之前，使用的最多的同步方式应该是synchronized关键字来实现同步方式了。配合Object的wait()、notify()系列方法可以实现等待/通知模式。
• Condition接口也提供了类似Object的监视器方法，与Lock配合可以实现等待/通知模式，但是这两者在使用方式以及功能特性上还是有差别的。

Object和Condition接口的一些对比。

接口的介绍与示例

首先需要明白condition对象是依赖于lock对象的，意思就是说condition对象需要通过lock对象进行创建出来(调用Lock对象的newCondition()方法)。condition的使用方式非常的简单。但是需要注意在调用方法前获取锁。

/**
 * condition使用示例：
 * 1、condition的使用必须要配合锁使用，调用方法时必须要获取锁
 * 2、condition的创建依赖于Lock lock.newCondition()；
 */
public class ConditionUseCase {
    /**
     * 创建锁
     */
    public Lock readLock = new ReentrantLock();
    /**
     * 创建条件
     */
    public Condition condition = readLock.newCondition();

    public static void main(String[] args) {
        ConditionUseCase useCase = new ConditionUseCase();
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(2);
        executorService.execute(() -> {
            //获取锁进行等待
            useCase.conditionWait();
        });
        executorService.execute(() -> {
            //获取锁进行唤起读锁
            useCase.conditionSignal();
        });
    }

    /**
     * 等待线程
     */
    public void conditionWait() {
        readLock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿到锁了");
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "等待信号");
            condition.await();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿到信号");
        } catch (Exception e) {

        } finally {
            readLock.unlock();
        }
    }

    /**
     * 唤起线程
     */
    public void conditionSignal() {
        readLock.lock();
        try {
            //睡眠5s 线程1启动
            Thread.sleep(5000);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿到锁了");
            condition.signal();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "发出信号");
        } catch (Exception e) {

        } finally {
            //释放锁
            readLock.unlock();
        }
    }

}

//执行结果
1 pool-1-thread-1拿到锁了
 2 pool-1-thread-1等待信号 ---释放锁-线程等待 t1
 3 pool-1-thread-2拿到锁了
 4 pool-1-thread-2发出信号 --- 唤起线程t2释放锁
 5 pool-1-thread-1拿到信号---t1继续执行

如示例所示，一般都会将Condition对象作为成员变量。当调用await()方法后，当前线程会释放锁并在此等待，而其他线程调用Condition对象的signal()方法，通知当前线程后，当前线程才从await()方法返回，并且在返回前已经获取了锁。

接口常用方法

condition可以通俗的理解为条件队列。当一个线程在调用了await方法以后，直到线程等待的某个条件为真的时候才会被唤醒。这种方式为线程提供了更加简单的等待/通知模式。Condition必须要配合锁一起使用，因为对共享状态变量的访问发生在多线程环境下。一个Condition的实例必须与一个Lock绑定，因此Condition一般都是作为Lock的内部实现。

1. await() ：造成当前线程在接到信号或被中断之前一直处于等待状态。
2. boolean await(long time, TimeUnit unit) ：造成当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态---》是否超时，超时异常
3. awaitNanos(long nanosTimeout) ：造成当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态。返回值表示剩余时间，如果在nanosTimesout之前唤醒，那么返回值 = nanosTimeout - 消耗时间，如果返回值 <= 0 ,则可以认定它已经超时了。
4. awaitUninterruptibly() ：造成当前线程在接到信号之前一直处于等待状态。【注意：该方法对中断不敏感】。
5. awaitUntil(Date deadline) ：造成当前线程在接到信号、被中断或到达指定最后期限之前一直处于等待状态。如果没有到指定时间就被通知，则返回true，否则表示到了指定时间，返回返回false。
6. signal() ：唤醒一个等待线程。该线程从等待方法返回前必须获得与Condition相关的锁。
7. signalAll() ：唤醒所有等待线程。能够从等待方法返回的线程必须获得与Condition相关的锁。

这里顺便回顾一下 Object 类的主要方法：

1. wait()：线程等待直到被通知或者中断。
2. wait(long timeout)：线程等待指定的时间，或被通知，或被中断。
3. wait(long timeout, int nanos)：线程等待指定的时间，或被通知，或被中断。
4. notify()：唤醒一个等待的线程。
5. notifyAll()：唤醒所有等待的线程。

原理解析

Condition是AQS的内部类。可以通过 Lock.newCondition() 方法获取 Condition 对象，而 Lock 对于同步状态的实现都是通过内部的自定义同步器实现的，newCondition() 方法也不例外，所以，Condition 接口的唯一实现类是同步器 AQS 的内部类 ConditionObject，因为 Condition 的操作需要获取相关的锁，所以作为同步器的内部类也比较合理，该类定义如下：

public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable

等待队列

前面我们学过，AQS 内部维护了一个先进先出（FIFO）的双端队列，并使用了两个引用 head 和 tail 用于标识队列的头部和尾部。

Condition 内部也使用了同样的方式，内部维护了一个先进先出（FIFO）的单向队列，我们把它称为等待队列。该队列是 Condition 对象实现等待 / 通知功能的关键。等待队列是一个FIFO的队列，在队列中的每个节点都包含了一个线程引用，该线程就是在Condition对象上等待的线程，如果一个线程调用了Condition.await()方法，那么该线程将会释放锁、构造成节点加入等待队列并进入等待状态。

事实上，节点的定义复用了 AQS 中 Node 节点的定义，也就是说，同步队列和等待队列中节点类型都是 AQS 的静态内部类 AbstractQueuedSynchronized.Node。一个 Condition 包含一个等待队列，Condition 拥有首节点（firstWaiter）和尾节点（lastWaiter）。当前线程调用 Condition.await() 方法之后，将会以当前线程构造节点，并将节点从尾部加入等待队列，等待队列的基本结构如下所示。

• 等待队列分为首节点和尾节点。当一个线程调用Condition.await()方法，将会以当前线程构造节点，并将节点从尾部加入等待队列。
• 新增节点就是将尾部节点指向新增的节点。节点引用更新本来就是在获取锁以后的操作，所以不需要CAS保证。同时也是线程安全的操作。

public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 1173984872572414699L;
    /** First node of condition queue. */
    private transient Node firstWaiter;
    /** Last node of condition queue. */
    private transient Node lastWaiter;
}

在 Object 的监视器模型上，一个对象拥有一个同步队列和等待队列，而并发包中的 Lock（更确切地说是同步器）拥有一个同步队列和多个等待队列

等待 await 方法

• 当线程调用了await方法以后。线程就作为队列中的一个节点被加入到等待队列中去了。同时会释放锁的拥有。

• 当从await方法返回的时候。一定会获取condition相关联的锁。当等待队列中的节点被唤醒的时候，则唤醒节点的线程开始尝试获取同步状态。

  • 如果不是通过 其他线程调用Condition.signal()方法唤醒，而是对等待线程进行中断，则会抛出InterruptedException异常信息。
  • 通知调用Condition的signal()方法，将会唤醒在等待队列中等待最长时间的节点（条件队列里的首节点），在唤醒节点前，会将节点移到同步队列中。

当前线程加入到等待队列中如图所示：

源码如下：

public final void await() throws InterruptedException {
    // 检测线程中断状态
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    // 将当前线程包装为Node节点加入等待队列
    Node node = addConditionWaiter();
    // 释放同步状态，也就是释放锁
    int savedState = fullyRelease(node);
    int interruptMode = 0;
    // 检测该节点是否在同步队中，如果不在，则说明该线程还不具备竞争锁的资格，则继续等待
    while (!isOnSyncQueue(node)) {
        // 挂起线程
        LockSupport.park(this);
        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
            break;
    }
    // 竞争同步状态
    if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
        interruptMode = REINTERRUPT;
    // 清理条件队列中的不是在等待条件的节点
    if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
        unlinkCancelledWaiters();
    if (interruptMode != 0)
        reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}

调用该方法的线程是成功获取了锁的线程，也就是同步队列中的首节点，该方法会将当前线程构造节点并加入等待队列中，然后释放同步状态，唤醒同步队列中的后继节点，然后当前线程会进入等待状态。

可能会有这样几个问题：

1. 怎样将当前线程添加到等待队列中？
2. 释放锁的过程是？
3. 怎样才能从 await 方法中退出？

问题1：怎样将当前线程添加到等待队列中？

调用 addConditionWaiter 方法会将当前线程添加到等待队列中，源码如下：

private Node addConditionWaiter() {
    // 尾节点
    Node t = lastWaiter;
    // 尾节点如果不是CONDITION状态，则表示该节点不处于等待状态，需要清理节点
    if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
        unlinkCancelledWaiters();
        t = lastWaiter;
    }
    // 根据当前线程创建Node节点
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
    // 将该节点加入等待队列的末尾
    if (t == null)
        firstWaiter = node;
    else
        t.nextWaiter = node;
    lastWaiter = node;
    return node;
}

首先将 t 指向尾节点，如果尾节点不为空并且它的waitStatus!=-2（-2 为 CONDITION，表示正在等待 Condition 条件），则将不处于等待状态的节点从等待队列中移除，并且将 t 指向新的尾节点。

然后将当前线程封装成 waitStatus 为-2 的节点追加到等待队列尾部。

如果尾节点为空，则表明队列为空，将首尾节点都指向当前节点。

如果尾节点不为空，表明队列中有其他节点，则将当前尾节点的 nextWaiter 指向当前节点，将当前节点置为尾节点。

简单总结一下，这段代码的作用就是通过尾插入的方式将当前线程封装的 Node 插入到等待队列中，同时可以看出，Condtion 的等待队列是一个不带头节点的链式队列，之前我们学习 AQS 时知道同步队列是一个带头节点的链式队列，这是两者的一个区别。

关于头节点的作用，我们这里简单说明一下。

不带头节点是指在链表数据结构中，链表的第一个节点就是实际存储的第一个数据元素，而不是一个特定的"头"节点，该节点不包含实际的数据。

1）不带头节点的链表：

• 链表的第一个节点就是第一个实际的数据节点。
• 当链表为空时，头引用（通常称为 head）指向 null。

2）带头节点的链表：

• 链表有一个特殊的节点作为链表的开头，这个特殊的节点称为头节点。
• 头节点通常不存储任何实际数据，或者它的数据字段不被使用。
• 无论链表是否为空，头节点总是存在的。当链表为空时，头节点的下一个节点指向 null。
• 使用头节点可以简化某些链表操作，因为你不必特殊处理第一个元素的插入和删除。

为了更好地解释这两种链表结构，我将为每种结构提供一个简单的整数链表插入方法的示例。

1）不带头节点的链表

public class Node {
    public int data;
    public Node next;

    public Node(int data) {
        this.data = data;
        this.next = null;
    }
}

public class LinkedListWithoutHead {
    public Node head;

    public void insert(int value) {
        Node newNode = new Node(value);
        if (head == null) {
            head = newNode;
        } else {
            Node temp = head;
            while (temp.next != null) {
                temp = temp.next;
            }
            temp.next = newNode;
        }
    }
}

2）带头节点的链表

public class NodeWithHead {
    public int data;
    public NodeWithHead next;

    public NodeWithHead(int data) {
        this.data = data;
        this.next = null;
    }
}

public class LinkedListWithHead {
    private NodeWithHead head;

    public LinkedListWithHead() {
        head = new NodeWithHead(-1);  // 初始化头节点
    }

    public void insert(int value) {
        NodeWithHead newNode = new NodeWithHead(value);
        NodeWithHead temp = head;
        while (temp.next != null) {
            temp = temp.next;
        }
        temp.next = newNode;
    }
}

这下是不是就彻底明白了？说明白了头节点，我们再回到 Condition 的 await 方法。

问题 2：释放锁的过程是？

将当前线程加入到等待队列之后，需要释放同步状态，该操作通过 fullyRelease(Node) 方法来完成：

final int fullyRelease(Node node) {
    boolean failed = true;
    try {
        // 获取同步状态
        int savedState = getState();
        // 释放锁
        if (release(savedState)) {
            failed = false;
            return savedState;
        } else {
            throw new IllegalMonitorStateException();
        }
    } finally {
        if (failed)
            node.waitStatus = Node.CANCELLED;
    }
}

这段代码也很容易理解，调用 AQS 的模板方法 release 释放 AQS 的同步状态并且唤醒在同步队列中头节点的后继节点引用的线程，如果释放成功则正常返回，若失败的话就抛出异常。

问题3：怎样才能从 await 方法中退出？

怎样从 await 方法退出呢？现在回过头再来看 await 方法，其中有这样一段逻辑：

while (!isOnSyncQueue(node)) {
    // 3. 当前线程进入到等待状态
    LockSupport.park(this);
    if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
        break;
}

isOnSyncQueue 方法用于判断当前线程所在的 Node 是否在同步队列中：

final boolean isOnSyncQueue(Node node) {
    // 节点状态为CONDITION，或者前驱节点为null，返回false
    if (node.waitStatus == Node.CONDITION || node.prev == null)
        return false;
    // 后继节点不为null，那么肯定在同步队列中
    if (node.next != null) // If has successor, it must be on queue
        return true;
    
    return findNodeFromTail(node);
}

如果当前节点的 waitStatus=-2，说明它在等待队列中，返回 false；如果当前节点有前驱节点，则证明它在 AQS 队列中，但是前驱节点为空，说明它是头节点，而头节点是不参与锁竞争的，也返回 false。

如果当前节点既不在等待队列中，又不是 AQS 中的头节点且存在 next 节点，说明它存在于 AQS 中，直接返回 true。

这里有必要给大家看一下同步队列与等待队列的关系图了。

当线程第一次调用 condition.await 方法时，会进入到这个 while 循环，然后通过 LockSupport.park(this) 使当前线程进入等待状态，那么要想退出 await，第一个前提条件就是要先退出这个 while 循环，出口就只两个地方：

1. 走到 break 退出 while 循环；
2. while 循环中的逻辑判断为 false。

出现第 1 种情况的条件是，当前等待的线程被中断后代码会走到 break 退出，第 2 种情况是当前节点被移动到了同步队列中（即另外一个线程调用了 condition 的 signal 或者 signalAll 方法），while 中逻辑判断为 false 后结束 while 循环。

总结一下，退出 await 方法的前提条件是当前线程被中断或者调用 condition.signal 或者 condition.signalAll 使当前节点移动到同步队列后。

当退出 while 循环后会调用acquireQueued(node, savedState)，该方法的作用是在自旋过程中线程不断尝试获取同步状态，直到成功（线程获取到 lock）。这样也说明了退出 await 方法必须是已经获得了 condition 引用（关联）的 lock。

到目前为止，上文提到的三个问题，我们都通过阅读源码的方式找到了答案，也加深了对 await 方法的理解。await 方法示意图如下：

如图，调用 condition.await 方法的线程必须是已经获得了 lock 的线程，也就是当前线程是同步队列中的头节点。调用该方法后会使得当前线程所封装的 Node 尾插入到等待队列中。

超时机制的支持

condition 还额外支持超时机制，使用者可调用 awaitNanos、awaitUtil 这两个方法，实现原理基本上与 AQS 中的 tryAcquire 方法如出一辙。

不响应中断的支持

要想不响应中断可以调用 condition.awaitUninterruptibly() 方法，该方法的源码如下：

public final void awaitUninterruptibly() {
    Node node = addConditionWaiter();
    int savedState = fullyRelease(node);
    boolean interrupted = false;
    while (!isOnSyncQueue(node)) {
        LockSupport.park(this);
        if (Thread.interrupted())
            interrupted = true;
    }
    if (acquireQueued(node, savedState) || interrupted)
        selfInterrupt();
}

这段方法与上面的 await 方法基本一致，只不过减少了对中断的处理。

通知-signal/signalAll 实现原理

调用 condition 的 signal 或者 signalAll 方法可以将等待队列中等待时间最长的节点移动到同步队列中，使得该节点能够有机会获得 lock。等待队列是先进先出（FIFO）的，所以等待队列的头节点必然会是等待时间最长的节点，也就是每次调用 condition 的 signal 方法都会将头节点移动到同步队列中。

在调用signal()方法之前必须先判断是否获取到了锁。接着获取等待队列的首节点，将其移动到同步队列并且利用LockSupport唤醒节点中的线程。节点从等待队列移动到同步队列如下图所示：

被唤醒的线程将从await方法中的while循环中退出。随后加入到同步状态的竞争当中去。成功获取到竞争的线程则会返回到await方法之前的状态。

源码如下：

调用 Condition 的 signal() 方法，将会唤醒在等待队列中等待时间最长的节点（首节点），在唤醒节点之前，会将节点移到同步队列中。Condition 的 signal() 方法如下所示：

public final void signal() {
    // 判断是否是当前线程获取了锁
    if (!isHeldExclusively())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    // 唤醒等待队列的首节点
    Node first = firstWaiter;
    if (first != null)
        doSignal(first);
}

该方法最终调用 doSignal(Node) 方法来唤醒节点：

private void doSignal(Node first) {
    do {
        // 把等待队列的首节点移除之后，要修改首结点
        if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
            lastWaiter = null;
        first.nextWaiter = null;
    } while (!transferForSignal(first) &&
                (first = firstWaiter) != null);
}

真正对头节点做处理的逻辑，将节点移动到同步队列是通过 transferForSignal(Node) 方法完成的：

final boolean transferForSignal(Node node) {
    // 尝试将该节点的状态从CONDITION修改为0
    if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
        return false;
    
    // 将节点加入到同步队列尾部，返回该节点的前驱节点
    Node p = enq(node);
    int ws = p.waitStatus;
    // 如果前驱节点的状态为CANCEL或者修改waitStatus失败，则直接唤醒当前线程
    if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
        LockSupport.unpark(node.thread);
    return true;
}

这段代码主要做了两件事情：

1. 将头节点的状态更改为 CONDITION；
2. 调用 enq 方法，将该节点尾插入到同步队列中，关于 enq 方法请看 AQS 的底层实现这篇文章。

节点从等待队列移动到同步队列的过程如下图所示：

被唤醒后的线程，将从 await() 方法中的 while 循环中退出（因为此时 isOnSyncQueue(Node) 方法返回 true），进而调用 acquireQueued() 方法加入到获取同步状态的竞争中。

成功获取了锁之后，被唤醒的线程将从先前调用的 await() 方法返回，此时，该线程已经成功获取了锁。

signalAll()

sigllAll 与 sigal 方法的区别体现在 doSignalAll 方法上，前面我们已经知道 doSignal 方法只会对等待队列的头节点进行操作， signalAll() 方法相当于对等待队列的每个节点均执行一次 signal() 方法，效果就是将等待队列中的所有节点移动到同步队列中。doSignalAll 的源码如下：

private void doSignalAll(Node first) {
    lastWaiter = firstWaiter = null;
    do {
        Node next = first.nextWaiter;
        first.nextWaiter = null;
        transferForSignal(first);
        first = next;
    } while (first != null);
}

该方法会将等待队列中的每一个节点都移入到同步队列中，即“通知”当前调用 condition.await() 方法的每一个线程。

await 与 signal/signalAll

文章开篇提到的等待/通知机制，通过 condition 的 await 和 signal/signalAll 方法就可以实现，而这种机制能够解决最经典的问题就是“生产者与消费者问题”

await、signal 和 signalAll 方法就像一个开关，控制着线程 A（等待方）和线程 B（通知方）。它们之间的关系可以用下面这幅图来说明，会更贴切：

线程 awaitThread 先通过 lock.lock() 方法获取锁，成功后调用 condition.await 方法进入等待队列，而另一个线程 signalThread 通过 lock.lock() 方法获取锁成功后调用了 condition.signal 或者 signalAll 方法，使得线程 awaitThread 能够有机会移入到同步队列中，当其他线程释放 lock 后使得线程 awaitThread 能够有机会获取 lock，从而使得线程 awaitThread 能够从 await 方法中退出并执行后续操作。如果 awaitThread 获取 lock 失败会直接进入到同步队列。

总结

• 调用await方法后，将当前线程加入Condition等待队列中。当前线程释放锁。否则别的线程就无法拿到锁而发生死锁。自旋(while)挂起，不断检测节点是否在同步队列中了，如果是则尝试获取锁，否则挂起。
• 当线程被signal方法唤醒，被唤醒的线程将从await()方法中的while循环中退出来，然后调用acquireQueued()方法竞争同步状态。