Java並發系列[4]----AbstractQueuedSynchronizer源碼分析之條件隊列

通過前面三篇的分析，我們深入了解了AbstractQueuedSynchronizer的內部結構和一些設計理念，知道了AbstractQueuedSynchronizer內部維護了一個同步狀態和兩個排隊區，這兩個排隊區分別是同步隊列和條件隊列。我們還是拿公共廁所做比喻，同步隊列是主要的排隊區，如果公共廁所沒開放，所有想要進入廁所的人都得在這里排隊。而條件隊列主要是為條件等待設置的，我們想象一下如果一個人通過排隊終於成功獲取鎖進入了廁所，但在方便之前發現自己沒帶手紙，碰到這種情況雖然很無奈，但是它也必須接受這個事實，這時它只好乖乖的出去先准備好手紙(進入條件隊列等待)，當然在出去之前還得把鎖給釋放了好讓其他人能夠進來，在准備好了手紙(條件滿足)之后它又得重新回到同步隊列中去排隊。當然進入房間的人並不都是因為沒帶手紙，可能還有其他一些原因必須中斷操作先去條件隊列中去排隊，所以條件隊列可以有多個，依不同的等待條件而設置不同的條件隊列。條件隊列是一條單向鏈表，Condition接口定義了條件隊列中的所有操作，AbstractQueuedSynchronizer內部的ConditionObject類實現了Condition接口，下面我們看看Condition接口都定義了哪些操作。

public interface Condition {
    
    //響應線程中斷的條件等待
    void await() throws InterruptedException;
    
    //不響應線程中斷的條件等待
    void awaitUninterruptibly();
    
    //設置相對時間的條件等待(不進行自旋)
    long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;
    
    //設置相對時間的條件等待(進行自旋)
    boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    
    //設置絕對時間的條件等待
    boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;
    
    //喚醒條件隊列中的頭結點
    void signal();
    
    //喚醒條件隊列的所有結點
    void signalAll();
    
}

Condition接口雖然定義了這么多方法，但總共就分為兩類，以await開頭的是線程進入條件隊列等待的方法，以signal開頭的是將條件隊列中的線程“喚醒”的方法。這里要注意的是，調用signal方法可能喚醒線程也可能不會喚醒線程，什么時候會喚醒線程這得看情況，后面會講到，但是調用signal方法一定會將線程從條件隊列中移到同步隊列尾部。這里為了敘述方便，我們先暫時不糾結這么多，統一稱signal方法為喚醒條件隊列線程的操作。大家注意看一下，await方法分為5種，分別是響應線程中斷等待，不響應線程中斷等待，設置相對時間不自旋等待，設置相對時間自旋等待，設置絕對時間等待；signal方法只有2種，分別是只喚醒條件隊列頭結點和喚醒條件隊列所有結點的操作。同一類的方法基本上是相通的，由於篇幅所限，我們不可能也不需要將這些方法全部仔細的講到，只需要將一個代表方法搞懂了再看其他方法就能夠觸類旁通。所以在本文中我只會細講await方法和signal方法，其他方法不細講但會貼出源碼來以供大家參考。

1. 響應線程中斷的條件等待

//響應線程中斷的條件等待
public final void await() throws InterruptedException {
    //如果線程被中斷則拋出異常
    if (Thread.interrupted()) {
        throw new InterruptedException();
    }
    //將當前線程添加到條件隊列尾部
    Node node = addConditionWaiter();
    //在進入條件等待之前先完全釋放鎖
    int savedState = fullyRelease(node);
    int interruptMode = 0;
    //線程一直在while循環里進行條件等待
    while (!isOnSyncQueue(node)) {
        //進行條件等待的線程都在這里被掛起, 線程被喚醒的情況有以下幾種：
        //1.同步隊列的前繼結點已取消
        //2.設置同步隊列的前繼結點的狀態為SIGNAL失敗
        //3.前繼結點釋放鎖后喚醒當前結點
        LockSupport.park(this);
        //當前線程醒來后立馬檢查是否被中斷, 如果是則代表結點取消條件等待, 此時需要將結點移出條件隊列
        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) {
            break;
        }
    }
    //線程醒來后就會以獨占模式獲取鎖
    if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE) {
        interruptMode = REINTERRUPT;
    }
    //這步操作主要為防止線程在signal之前中斷而導致沒與條件隊列斷絕聯系
    if (node.nextWaiter != null) {
        unlinkCancelledWaiters();
    }
    //根據中斷模式進行響應的中斷處理
    if (interruptMode != 0) {
        reportInterruptAfterWait(interruptMode);
    }
}

當線程調用await方法的時候，首先會將當前線程包裝成node結點放入條件隊列尾部。在addConditionWaiter方法中，如果發現條件隊列尾結點已取消就會調用unlinkCancelledWaiters方法將條件隊列所有的已取消結點清空。這步操作是插入結點的准備工作，那么確保了尾結點的狀態也是CONDITION之后，就會新建一個node結點將當前線程包裝起來然后放入條件隊列尾部。注意，這個過程只是將結點添加到同步隊列尾部而沒有掛起線程哦。

第二步：完全將鎖釋放

//完全釋放鎖
final int fullyRelease(Node node) {
    boolean failed = true;
    try {
        //獲取當前的同步狀態
        int savedState = getState();
        //使用當前的同步狀態去釋放鎖
        if (release(savedState)) {
            failed = false;
            //如果釋放鎖成功就返回當前同步狀態
            return savedState;
        } else {
            //如果釋放鎖失敗就拋出運行時異常
            throw new IllegalMonitorStateException();
        }
    } finally {
        //保證沒有成功釋放鎖就將該結點設置為取消狀態
        if (failed) {
            node.waitStatus = Node.CANCELLED;
        }
    }
}

將當前線程包裝成結點添加到條件隊列尾部后，緊接着就調用fullyRelease方法釋放鎖。注意，方法名為fullyRelease也就這步操作會完全的釋放鎖，因為鎖是可重入的，所以在進行條件等待前需要將鎖全部釋放了，不然的話別人就獲取不了鎖了。如果釋放鎖失敗的話就會拋出一個運行時異常，如果成功釋放了鎖的話就返回之前的同步狀態。

第三步：進行條件等待

//線程一直在while循環里進行條件等待
while (!isOnSyncQueue(node)) {
    //進行條件等待的線程都在這里被掛起, 線程被喚醒的情況有以下幾種：
    //1.同步隊列的前繼結點已取消
    //2.設置同步隊列的前繼結點的狀態為SIGNAL失敗
    //3.前繼結點釋放鎖后喚醒當前結點
    LockSupport.park(this);
    //當前線程醒來后立馬檢查是否被中斷, 如果是則代表結點取消條件等待, 此時需要將結點移出條件隊列
    if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) {
        break;
    }
}

//檢查條件等待時的線程中斷情況
private int checkInterruptWhileWaiting(Node node) {
    //中斷請求在signal操作之前：THROW_IE
    //中斷請求在signal操作之后：REINTERRUPT
    //期間沒有收到任何中斷請求：0
    return Thread.interrupted() ? (transferAfterCancelledWait(node) ? THROW_IE : REINTERRUPT) : 0;
}

//將取消條件等待的結點從條件隊列轉移到同步隊列中
final boolean transferAfterCancelledWait(Node node) {
    //如果這步CAS操作成功的話就表明中斷發生在signal方法之前
    if (compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0)) {
        //狀態修改成功后就將該結點放入同步隊列尾部
        enq(node);
        return true;
    }
    //到這里表明CAS操作失敗, 說明中斷發生在signal方法之后
    while (!isOnSyncQueue(node)) {
        //如果sinal方法還沒有將結點轉移到同步隊列, 就通過自旋等待一下
        Thread.yield();
    }
    return false;
}

在以上兩個操作完成了之后就會進入while循環，可以看到while循環里面首先調用LockSupport.park(this)將線程掛起了，所以線程就會一直在這里阻塞。在調用signal方法后僅僅只是將結點從條件隊列轉移到同步隊列中去，至於會不會喚醒線程需要看情況。如果轉移結點時發現同步隊列中的前繼結點已取消，或者是更新前繼結點的狀態為SIGNAL失敗，這兩種情況都會立即喚醒線程，否則的話在signal方法結束時就不會去喚醒已在同步隊列中的線程，而是等到它的前繼結點來喚醒。當然，線程阻塞在這里除了可以調用signal方法喚醒之外，線程還可以響應中斷，如果線程在這里收到中斷請求就會繼續往下執行。可以看到線程醒來后會馬上檢查是否是由於中斷喚醒的還是通過signal方法喚醒的，如果是因為中斷喚醒的同樣會將這個結點轉移到同步隊列中去，只不過是通過調用transferAfterCancelledWait方法來實現的。最后執行完這一步之后就會返回中斷情況並跳出while循環。

第四步：結點移出條件隊列后的操作

//線程醒來后就會以獨占模式獲取鎖
if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE) {
    interruptMode = REINTERRUPT;
}
//這步操作主要為防止線程在signal之前中斷而導致沒與條件隊列斷絕聯系
if (node.nextWaiter != null) {
    unlinkCancelledWaiters();
}
//根據中斷模式進行響應的中斷處理
if (interruptMode != 0) {
    reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}

//結束條件等待后根據中斷情況做出相應處理
private void reportInterruptAfterWait(int interruptMode) throws InterruptedException {
    //如果中斷模式是THROW_IE就拋出異常
    if (interruptMode == THROW_IE) {
        throw new InterruptedException();
    //如果中斷模式是REINTERRUPT就自己掛起
    } else if (interruptMode == REINTERRUPT) {
        selfInterrupt();
    }
}

當線程終止了while循環也就是條件等待后，就會回到同步隊列中。不管是因為調用signal方法回去的還是因為線程中斷導致的，結點最終都會在同步隊列中。這時就會調用acquireQueued方法執行在同步隊列中獲取鎖的操作，這個方法我們在獨占模式這一篇已經詳細的講過。也就是說，結點從條件隊列出來后又是乖乖的走獨占模式下獲取鎖的那一套，等這個結點再次獲得鎖之后，就會調用reportInterruptAfterWait方法來根據這期間的中斷情況做出相應的響應。如果中斷發生在signal方法之前，interruptMode就為THROW_IE，再次獲得鎖后就拋出異常；如果中斷發生在signal方法之后，interruptMode就為REINTERRUPT，再次獲得鎖后就重新中斷。

2.不響應線程中斷的條件等待

//不響應線程中斷的條件等待
public final void awaitUninterruptibly() {
    //將當前線程添加到條件隊列尾部
    Node node = addConditionWaiter();
    //完全釋放鎖並返回當前同步狀態
    int savedState = fullyRelease(node);
    boolean interrupted = false;
    //結點一直在while循環里進行條件等待
    while (!isOnSyncQueue(node)) {
        //條件隊列中所有的線程都在這里被掛起
        LockSupport.park(this);
        //線程醒來發現中斷並不會馬上去響應
        if (Thread.interrupted()) {
            interrupted = true;
        }
    }
    if (acquireQueued(node, savedState) || interrupted) {
        //在這里響應所有中斷請求, 滿足以下兩個條件之一就會將自己掛起
        //1.線程在條件等待時收到中斷請求
        //2.線程在acquireQueued方法里收到中斷請求
        selfInterrupt();
    }
}

3.設置相對時間的條件等待(不進行自旋)

//設置定時條件等待(相對時間), 不進行自旋等待
public final long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException {
    //如果線程被中斷則拋出異常
    if (Thread.interrupted()) {
        throw new InterruptedException();
    }
    //將當前線程添加到條件隊列尾部
    Node node = addConditionWaiter();
    //在進入條件等待之前先完全釋放鎖
    int savedState = fullyRelease(node);
    long lastTime = System.nanoTime();
    int interruptMode = 0;
    while (!isOnSyncQueue(node)) {
        //判斷超時時間是否用完了
        if (nanosTimeout <= 0L) {
            //如果已超時就需要執行取消條件等待操作
            transferAfterCancelledWait(node);
            break;
        }
        //將當前線程掛起一段時間, 線程在這期間可能被喚醒, 也可能自己醒來
        LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
        //線程醒來后先檢查中斷信息
        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) {
            break;
        }
        long now = System.nanoTime();
        //超時時間每次減去條件等待的時間
        nanosTimeout -= now - lastTime;
        lastTime = now;
    }
    //線程醒來后就會以獨占模式獲取鎖
    if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE) {
        interruptMode = REINTERRUPT;
    }
    //由於transferAfterCancelledWait方法沒有把nextWaiter置空, 所有這里要再清理一遍
    if (node.nextWaiter != null) {
        unlinkCancelledWaiters();
    }
    //根據中斷模式進行響應的中斷處理
    if (interruptMode != 0) {
        reportInterruptAfterWait(interruptMode);
    }
    //返回剩余時間
    return nanosTimeout - (System.nanoTime() - lastTime);
}

4.設置相對時間的條件等待(進行自旋)

//設置定時條件等待(相對時間), 進行自旋等待
public final boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
    if (unit == null) { throw new NullPointerException(); }
    //獲取超時時間的毫秒數
    long nanosTimeout = unit.toNanos(time);
    //如果線程被中斷則拋出異常
    if (Thread.interrupted()) { throw new InterruptedException(); }
    //將當前線程添加條件隊列尾部
    Node node = addConditionWaiter();
    //在進入條件等待之前先完全釋放鎖
    int savedState = fullyRelease(node);
    //獲取當前時間的毫秒數
    long lastTime = System.nanoTime();
    boolean timedout = false;
    int interruptMode = 0;
    while (!isOnSyncQueue(node)) {
        //如果超時就需要執行取消條件等待操作
        if (nanosTimeout <= 0L) {
            timedout = transferAfterCancelledWait(node);
            break;
        }
        //如果超時時間大於自旋時間, 就將線程掛起一段時間
        if (nanosTimeout >= spinForTimeoutThreshold) {
            LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
        }
        //線程醒來后先檢查中斷信息
        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) {
            break;
        }
        long now = System.nanoTime();
        //超時時間每次減去條件等待的時間
        nanosTimeout -= now - lastTime;
        lastTime = now;
    }
    //線程醒來后就會以獨占模式獲取鎖
    if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE) {
        interruptMode = REINTERRUPT;
    }
    //由於transferAfterCancelledWait方法沒有把nextWaiter置空, 所有這里要再清理一遍
    if (node.nextWaiter != null) {
        unlinkCancelledWaiters();
    }
    //根據中斷模式進行響應的中斷處理
    if (interruptMode != 0) {
        reportInterruptAfterWait(interruptMode);
    }
    //返回是否超時標志
    return !timedout;
}

5.設置絕對時間的條件等待

//設置定時條件等待(絕對時間)
public final boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException {
    if (deadline == null) { throw new NullPointerException(); } 
    //獲取絕對時間的毫秒數
    long abstime = deadline.getTime();
    //如果線程被中斷則拋出異常
    if (Thread.interrupted()) { throw new InterruptedException(); }
    //將當前線程添加到條件隊列尾部
    Node node = addConditionWaiter();
    //在進入條件等待之前先完全釋放鎖
    int savedState = fullyRelease(node);
    boolean timedout = false;
    int interruptMode = 0;
    while (!isOnSyncQueue(node)) {
        //如果超時就需要執行取消條件等待操作
        if (System.currentTimeMillis() > abstime) {
            timedout = transferAfterCancelledWait(node);
            break;
        }
        //將線程掛起一段時間, 期間線程可能被喚醒, 也可能到了點自己醒來
        LockSupport.parkUntil(this, abstime);
        //線程醒來后先檢查中斷信息
        if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) {
            break;
        }
    }
    //線程醒來后就會以獨占模式獲取鎖
    if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE) {
        interruptMode = REINTERRUPT;
    }
    //由於transferAfterCancelledWait方法沒有把nextWaiter置空, 所有這里要再清理一遍
    if (node.nextWaiter != null) {
        unlinkCancelledWaiters();
    }
    //根據中斷模式進行響應的中斷處理
    if (interruptMode != 0) {
        reportInterruptAfterWait(interruptMode);
    }
    //返回是否超時標志
    return !timedout;
}

6.喚醒條件隊列中的頭結點

//喚醒條件隊列中的下一個結點
public final void signal() {
    //判斷當前線程是否持有鎖
    if (!isHeldExclusively()) {
        throw new IllegalMonitorStateException();
    }
    Node first = firstWaiter;
    //如果條件隊列中有排隊者
    if (first != null) {
        //喚醒條件隊列中的頭結點
        doSignal(first);
    }
}

//喚醒條件隊列中的頭結點
private void doSignal(Node first) {
    do {
        //1.將firstWaiter引用向后移動一位
        if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null) {
            lastWaiter = null;
        }
        //2.將頭結點的后繼結點引用置空
        first.nextWaiter = null;
        //3.將頭結點轉移到同步隊列, 轉移完成后有可能喚醒線程
        //4.如果transferForSignal操作失敗就去喚醒下一個結點
    } while (!transferForSignal(first) && (first = firstWaiter) != null);
}

//將指定結點從條件隊列轉移到同步隊列中
final boolean transferForSignal(Node node) {
    //將等待狀態從CONDITION設置為0
    if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0)) {
        //如果更新狀態的操作失敗就直接返回false
        //可能是transferAfterCancelledWait方法先將狀態改變了, 導致這步CAS操作失敗
        return false;
    }
    //將該結點添加到同步隊列尾部
    Node p = enq(node);
    int ws = p.waitStatus;
    if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL)) {
        //出現以下情況就會喚醒當前線程
        //1.前繼結點是取消狀態
        //2.更新前繼結點的狀態為SIGNAL操作失敗
        LockSupport.unpark(node.thread);
    }
    return true;
}

可以看到signal方法最終的核心就是去調用transferForSignal方法，在transferForSignal方法中首先會用CAS操作將結點的狀態從CONDITION設置為0，然后再調用enq方法將該結點添加到同步隊列尾部。我們再看到接下來的if判斷語句，這個判斷語句主要是用來判斷什么時候會去喚醒線程，出現這兩種情況就會立即喚醒線程，一種是當發現前繼結點的狀態是取消狀態時，還有一種是更新前繼結點的狀態失敗時。這兩種情況都會馬上去喚醒線程，否則的話就僅僅只是將結點從條件隊列中轉移到同步隊列中就完了，而不會立馬去喚醒結點中的線程。signalAll方法也大致類似，只不過它是去循環遍歷條件隊列中的所有結點，並將它們轉移到同步隊列，轉移結點的方法也還是調用transferForSignal方法。

7.喚醒條件隊列的所有結點

//喚醒條件隊列后面的全部結點
public final void signalAll() {
    //判斷當前線程是否持有鎖
    if (!isHeldExclusively()) {
        throw new IllegalMonitorStateException();
    }
    //獲取條件隊列頭結點
    Node first = firstWaiter;
    if (first != null) {
        //喚醒條件隊列的所有結點
        doSignalAll(first);
    }
}

//喚醒條件隊列的所有結點
private void doSignalAll(Node first) {
    //先把頭結點和尾結點的引用置空
    lastWaiter = firstWaiter = null;
    do {
        //先獲取后繼結點的引用
        Node next = first.nextWaiter;
        //把即將轉移的結點的后繼引用置空
        first.nextWaiter = null;
        //將結點從條件隊列轉移到同步隊列
        transferForSignal(first);
        //將引用指向下一個結點
        first = next;
    } while (first != null);
}

至此，我們整個的AbstractQueuedSynchronizer源碼分析就結束了，相信通過這四篇的分析，大家能更好的掌握並理解AQS。這個類確實很重要，因為它是其他很多同步類的基石，由於筆者水平和表達能力有限，如果哪些地方沒有表述清楚的，或者理解不到位的，還請廣大讀者們能夠及時指正，共同探討學習。可在下方留言閱讀中所遇到的問題，如果有需要AQS注釋源碼的也可聯系筆者索取。

注：以上全部分析基於JDK1.7，不同版本間會有差異，讀者需要注意