java并发等待条件的实现原理详解

前言

前面介绍了排它锁，共享锁的实现机制，本篇继续学习aqs中的另外一个内容-condition。想必学过java的都知道object.wait和object.notify，同时也应该知晓这两个方法的使用离不开synchronized关键字。synchronized是jvm级别提供的同步原语，它的实现机制隐藏在jvm实现中。作为lock系列功能中的condition，就是用来实现类似 object.wait和object.notify 对应功能的。

使用场景

为了更好的理解lock和condition的使用场景，下面我们先来实现这样一个功能：有多个生产者，多个消费者，一个产品容器，我们假设容器最多可以放3个产品，如果满了，生产者需要等待产品被消费，如果没有产品了，消费者需要等待。我们的目标是一共生产10个产品，最终消费10个产品，如何在多线程环境下完成这一挑战呢？下面是我简单实现的一个demo，仅供参考。

package com.lock.condition.test;
import java.util.linkedlist;
import java.util.concurrent.timeunit;
import java.util.concurrent.atomic.atomicinteger;
import java.util.concurrent.locks.condition;
import java.util.concurrent.locks.reentrantlock;
public class lockconditiontest {
  // 生产 和 消费 的最大总数
  public static int totalcount = 10;
  // 已经生产的产品数
  public static volatile int hasproducecount = 0;
  // 已经消费的产品数
  public static volatile int hasconsumecount = 0;
  // 容器最大容量
  public static int containersize = 3;
  // 使用公平策略的可重入锁，便于观察演示结果
  public static reentrantlock lock = new reentrantlock(true);
  public static condition notempty = lock.newcondition();
  public static condition notfull = lock.newcondition();
  // 容器
  public static linkedlist<integer> container = new linkedlist<integer>();
  // 用于标识产品
  public static atomicinteger idgenerator = new atomicinteger();
  public static void main(string[] args) {
    thread p1 = new thread(new producer(), "p-1");
    thread p2 = new thread(new producer(), "p-2");
    thread p3 = new thread(new producer(), "p-3");
    thread c1 = new thread(new consumer(), "c-1");
    thread c2 = new thread(new consumer(), "c-2");
    thread c3 = new thread(new consumer(), "c-3");
    c1.start();
    c2.start();
    c3.start();
    p1.start();
    p2.start();
    p3.start();
    try{
      c1.join();
      c2.join();
      c3.join();
      p1.join();
      p2.join();
      p3.join();
    }catch(exception e){
    }
    system.out.println(" done. ");
  }
  static class producer implements runnable{
    @override
    public void run() {
      while(true){
        lock.lock();
        try{
          // 容器满了，需要等待非满条件
          while(container.size() >= containersize){
            notfull.await();
          }
          // 到这里表明容器未满，但需要再次判断是否已经完成了任务
          if(hasproducecount >= totalcount){
            system.out.println(thread.currentthread().getname()+" producer exit");
            return ;
          }
          int product = idgenerator.incrementandget();
          // 把生产出来的产品放入容器
          container.addlast(product);
          system.out.println(thread.currentthread().getname() + " product " + product);
          hasproducecount++;
          // 通知消费线程可以去消费了
          notempty.signal();
        } catch (interruptedexception e) {
        }finally{
          lock.unlock();
        }
      }
    }
  }
  static class consumer implements runnable{
    @override
    public void run() {
      while(true){
        lock.lock();
        try{
          if(hasconsumecount >= totalcount){
            system.out.println(thread.currentthread().getname()+" consumer exit");
            return ;
          }
          // 一直等待有产品了，再继续往下消费
          while(container.isempty()){
            notempty.await(2, timeunit.seconds);
            if(hasconsumecount >= totalcount){
              system.out.println(thread.currentthread().getname()+" consumer exit");
              return ;
            }
          }
          integer product = container.removefirst();
          system.out.println(thread.currentthread().getname() + " consume " + product);
          hasconsumecount++;
          // 通知生产线程可以继续生产产品了
          notfull.signal();
        } catch (interruptedexception e) {
        }finally{
          lock.unlock();
        }
      }
    }
  }
}

一次执行结果如下：

p-1 product 1
p-3 product 2
p-2 product 3
c-3 consume 1
c-2 consume 2
c-1 consume 3
p-1 product 4
p-3 product 5
p-2 product 6
c-3 consume 4
c-2 consume 5
c-1 consume 6
p-1 product 7
p-3 product 8
p-2 product 9
c-3 consume 7
c-2 consume 8
c-1 consume 9
p-1 product 10
p-3 producer exit
p-2 producer exit
c-3 consume 10
c-2 consumer exit
c-1 consumer exit
p-1 producer exit
c-3 consumer exit
 done.

从结果可以发现已经达到我们的目的了。

深入理解condition的实现原理

上面的示例只是为了展示 lock结合condition可以实现的一种经典场景，在有了感性的认识之后，我们将一步一步来观察lock和condition是如何协作完成这一任务的，这也是本篇的核心内容。

为了更好的理解和演示这一个过程，我们使用到的锁是使用公平策略模式的，我们会使用上面例子运作的流程。我们会使用到3个生产线程，3个消费线程，分别表示 p1、p2、p3和c1、c2、c3。

condition的内部实现是使用节点链来实现的，每个条件实例对应一个节点链，我们有notempty 和 notfull 两个条件实例，所以会有两个等待节点链。

一切准备就绪 ，开始我们的探索之旅。

1、线程c3执行，然后发现没有产品可以消费，执行 notempty.await，进入等待队列中等候。

2、线程c2和线程c1执行，然后发现没有产品可以消费，执行 notempty.await，进入等待队列中等候。

3、 线程 p1 启动，得到了锁，p1开始生产产品，这时候p3抢在p2之前，执行了lock操作，结果p2和p3都处于等待状态，入同步队列等待。<喎�"/kf/ware/vc/" target="_blank" class="keylink">vcd4ncjxwpjxpbwcgywx0pq=="这里写图片描述" src="/uploadfile/collfiles/20160912/20160912092710536.png" title="\" />

注意，本例中我们使用的是公平策略模式下的排它锁，由于p3抢先执行取锁操作，所以虽然p2和p3都被阻塞了，但是p3会优先被唤醒 。

4、这会，p1生产完毕，通知 not empty等待队列，可以唤醒一个等待线程节点了，然后释放了锁，释放锁会导致p3被唤醒，然后p1进入下一个循环，进入同步队列。

事情开始变得有趣了，p1执行一次生产后，执行了 notempty.signal，其效果就是把 not empty等待列表中的头节点，即c3节点移到同步等待列队中，重新参与抢占锁。

5、p3生产完了产品后，继续notempty.signal，同时释放锁，释放锁后会唤醒p2线程，然后p3在下一轮尝试获取锁的时候，再次入队。

6、接着，p2继续生产，生产后执行 notempty.signal，同时释放锁，释放锁后唤醒c3线程，然后p2在下一轮尝试取锁的时候，入列。

7、c3进行消费，你可以看到，现在 not empty等待列队中已经没有等待节点了，由于我们使用的是公平策略排它锁，这就会导致同步队列中的节点一个接着一个执行，而目前同步队列中的节点排列为一生产，一消费，这不难可以知道，接下来代码已经不会进入 wait条件了，所以一个一个轮流执行就是，比如c3，执行完了，继续notfull.signal(); 然后释放锁，入队，这里要明白，notfull.signal();这句代码其实没有作用了，因为 not full等待队列中没有任何等待线程节点。 c3执行后，状态如下图所示：

8、后面的事情我想大家都可以想得出来是怎样一步一步交替执行的了。

总结

本篇基于一个实例来演示结合lock和condition如何实现生产-消费模式，而且只讨论一种可能执行的流程，是想更简单的表述aqs底层是如何实现的。基于上面这个演示过程，针对其它的执行流程，其原来也是一样的。condition内部使用一个节点链来保存所有 wait状态的线程，当对应条件被signal的时候，就会把等待节点转移到同步队列中，继续竞争锁。原理其实并不复杂，有兴趣的朋友可以翻阅源码。

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