Lock锁与Condition详解

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• • 引子
  • 重新认识Lock接口
  • 你了解Condition接口吗
  • • Condition接口与示例
    • Condition如何实现

引子

三个线程分别打印A、B、C，要求按ABC的顺序循环打印10次。

ReentrantLock和Conditon实现

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class RcSyncPrinter implements Runnable {

    private static final int PRINT_COUNT = 10;
    private final Lock reentrantLock;
    private final Condition thisCondition;
    private final Condition nextCondition;
    private final char printChar;

    public RcSyncPrinter(Lock reentrantLock, Condition thisCondition, Condition nextCondition,
                         char printChar) {
        this.reentrantLock = reentrantLock;
        this.nextCondition = nextCondition;
        this.thisCondition = thisCondition;
        this.printChar = printChar;
    }

    @Override
    public void run() {
        reentrantLock.lock();
        try {
            for (int i = 0; i < PRINT_COUNT; i++) {
                nextCondition.signal();
                 if (i < PRINT_COUNT - 1) {
                    try {
                        thisCondition.await();
                        System.out.print(printChar);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        } finally {
            reentrantLock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Lock lock = new ReentrantLock();
        Condition conditionA = lock.newCondition();
        Condition conditionB = lock.newCondition();
        Condition conditionC = lock.newCondition();
        Thread printerA = new Thread(new RcSyncPrinter(lock, conditionA, conditionB, 'A'));
        Thread printerB = new Thread(new RcSyncPrinter(lock, conditionB, conditionC, 'B'));
        Thread printerC = new Thread(new RcSyncPrinter(lock, conditionC, conditionA, 'C'));
        printerA.start();
        Thread.sleep(10);
        printerB.start();
        Thread.sleep(10);
        printerC.start();
    }
}

重新认识Lock接口

锁是用来控制多个线程访问共享资源的方式:

一个锁能够防止多个线程同时 访问共享资源（但是有些锁可以允许多个线程并发的访问共享资源，比如读写锁）。

在Lock接 口出现之前，Java程序是靠synchronized关键字实现锁功能的，而Java SE 5之后，并发包中新增 了Lock接口（以及相关实现类）用来实现锁功能，它提供了与synchronized关键字类似的同步功 能，只是在使用时需要显式地获取和释放锁。虽然它缺少了（通过synchronized块或者方法所提 供的）隐式获取释放锁的便捷性，但是却拥有了锁获取与释放的可操作性、可中断的获取锁以 及超时获取锁等多种synchronized关键字所不具备的同步特性。

使用synchronized关键字将会隐式地获取锁，但是它将锁的获取和释放固化了，也就是先 获取再释放。当然，这种方式简化了同步的管理，可是扩展性没有显示的锁获取和释放来的好。

例如，针对一个场景，手把手进行锁获取和释放，先获得锁A，然后再获取锁B，当锁B获得 后，释放锁A同时获取锁C，当锁C获得后，再释放B同时获取锁D，以此类推。这种场景下， synchronized关键字就不那么容易实现了，而使用Lock却容易许多。

Lock API:

Lock的主要特性:

Lock的使用:

Lock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
try {
} finally {
    lock.unlock();
}

在finally块中释放锁，目的是保证在获取到锁之后，最终能够被释放。不要将获取锁的过程写在try块中，因为如果在获取锁（自定义锁的实现）时发生了异常， 异常抛出的同时，也会导致锁无故释放。

你了解Condition接口吗

任意一个Java对象，都拥有一组监视器方法（定义在java.lang.Object上），主要包括wait()、 wait(long timeout)、notify()以及notifyAll()方法，这些方法与synchronized同步关键字配合，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。 通过对比Object的监视器方法和Condition接口，可以更详细地了解Condition的特性，

Condition接口与示例

Condition定义了等待/通知两种类型的方法，当前线程调用这些方法时，需要提前获取到 Condition对象关联的锁。Condition对象是由Lock对象（调用Lock对象的newCondition()方法）创 建出来的，换句话说，Condition是依赖Lock对象的。 Condition的使用方式比较简单，需要注意在调用方法前获取锁，使用方式。

Lock lock = new ReentrantLock();
    Condition condition = lock.newCondition();

    public void conditionWait() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            condition.await();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void conditionSignal() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            condition.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

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。 Condition定义的（部分）方法以及描述如表

获取一个Condition必须通过Lock的newCondition()方法。下面通过一个有界队列的示例来 深入了解Condition的使用方式。有界队列是一种特殊的队列，当队列为空时，队列的获取操作 将会阻塞获取线程，直到队列中有新增元素，当队列已满时，队列的插入操作将会阻塞插入线 程，直到队列出现“空位”，如代码所示。

  public class BoundedQueue<T> {
       private Object[] items;
       // 添加的下标，删除的下标和数组当前数量
       private int addIndex, removeIndex, count;
       private Lock lock = new ReentrantLock();
       private Condition notEmpty = lock.newCondition();
       private Condition notFull = lock.newCondition();

       public BoundedQueue(int size) {
           items = new Object[size];
       }

       // 添加一个元素，如果数组满，则添加线程进入等待状态，直到有"空位"
       public void add(T t) throws InterruptedException {
           lock.lock();
           try

           {
               while (count == items.length) notFull.await();
               items[addIndex] = t;
               if (++addIndex == items.length) addIndex = 0;
               ++count;
               notEmpty.signal();
           } finally

           {
               lock.unlock();
           }
       }

       // 由头部删除一个元素，如果数组空，则删除线程进入等待状态，直到有新添加元素 @SuppressWarnings("unchecked")
       public T remove() throws InterruptedException {
           lock.lock();
           try {
               while (count == 0) notEmpty.await();
               Object x = items[removeIndex];
               if (++removeIndex == items.length) removeIndex = 0;
               --count;
               notFull.signal();
               return (T) x;
           } finally {
               lock.unlock();
           }
       }
   }

上述示例中，BoundedQueue通过add(T t)方法添加一个元素，通过remove()方法移出一个 元素。以添加方法为例。 首先需要获得锁，目的是确保数组修改的可见性和排他性。当数组数量等于数组长度时， 表示数组已满，则调用notFull.await()，当前线程随之释放锁并进入等待状态。如果数组数量不 等于数组长度，表示数组未满，则添加元素到数组中，同时通知等待在notEmpty上的线程，数 组中已经有新元素可以获取。 在添加和删除方法中使用while循环而非if判断，目的是防止过早或意外的通知，只有条件 符合才能够退出循环。与等待/通知的经典范式，二者是非常类似的

Condition如何实现

ConditionObject是同步器AbstractQueuedSynchronizer的内部类，因为Condition的操作需要 获取相关联的锁，所以作为同步器的内部类也较为合理。每个Condition对象都包含着一个队 列（以下称为等待队列），该队列是Condition对象实现等待/通知功能的关键。 下面将分析Condition的实现，主要包括：等待队列、等待和通知，下面提到的Condition如 果不加说明均指的是ConditionObject。

1.等待队列
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，节点的定义复用了同步器中节点 的定义，也就是说，同步队列和等待队列中节点类型都是同步器的静态内部类 AbstractQueuedSynchronizer.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，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图所示。

如图所示，Condition拥有首尾节点的引用，而新增节点只需要将原有的尾节点nextWaiter 指向它，并且更新尾节点即可。上述节点引用更新的过程并没有使用CAS保证，原因在于调用 await()方法的线程必定是获取了锁的线程，也就是说该过程是由锁来保证线程安全的。 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，其对应关系如图所示。

如图所示，Condition的实现是同步器的内部类，因此每个Condition实例都能够访问同步器 提供的方法，相当于每个Condition都拥有所属同步器的引用。

2.等待
调用Condition的await()方法（或者以await开头的方法），会使当前线程进入等待队列并释 放锁，同时线程状态变为等待状态。当从await()方法返回时，当前线程一定获取了Condition相 关联的锁。
如果从队列（同步队列和等待队列）的角度看await()方法，当调用await()方法时，相当于同 步队列的首节点（获取了锁的节点）移动到Condition的等待队列中。 Condition的await()方法

ConditionObject的await方法

public final void await() throws InterruptedException {
       if (Thread.interrupted())
           throw new InterruptedException();
        // 当前线程加入等待队列
       Node node = addConditionWaiter();
       // 释放同步状态，也就是释放锁
       int savedState = fullyRelease(node);
       int interruptMode = 0;
       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);
   }

调用该方法的线程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 线程构造成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。

当等待队列中的节点被唤醒，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。

如果从队列的角度去看，当前线程加入Condition的等待队列，该过程如图5-11示。 如图所示，同步队列的首节点并不会直接加入等待队列，而是通过addConditionWaiter()方法把当前线程构造成一个新的节点并将其加入等待队列中。

3.通知
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，如代码清单5-23所示。 图5-11 当前线程加入等待队列 代码清单5-23 ConditionObject的signal方法

public final void signal() {
      if (!isHeldExclusively())
          throw new IllegalMonitorStateException();
      Node first = firstWaiter;
      if (first != null)
          doSignal(first);
  }

调用该方法的前置条件是当前线程必须获取了锁，可以看到signal()方法进行了 isHeldExclusively()检查，也就是当前线程必须是获取了锁的线程。接着获取等待队列的首节点，将其移动到同步队列并使用LockSupport唤醒节点中的线程。 节点从等待队列移动到同步队列的过程如图5-12所示。

通过调用同步器的enq(Node node)方法，等待队列中的头节点线程安全地移动到同步队 列。当节点移动到同步队列后，当前线程再使用LockSupport唤醒该节点的线程。 被唤醒后的线程，将从await()方法中的while循环中退出（isOnSyncQueue(Node node)方法 返回true，节点已经在同步队列中），进而调用同步器的acquireQueued()方法加入到获取同步状 态的竞争中。 成功获取同步状态（或者说锁）之后，被唤醒的线程将从先前调用的await()方法返回，此 时该线程已经成功地获取了锁。 Condition的signalAll()方法，相当于对等待队列中的每个节点均执行一次signal()方法，效 果就是将等待队列中所有节点全部移动到同步队列中，并唤醒每个节点的线程。

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