深入理解Java并发框架AQS系列（五）：条件队列（Condition）

深入理解Java并发框架AQS系列（一）：线程
 深入理解Java并发框架AQS系列（二）：AQS框架简介及锁概念
 深入理解Java并发框架AQS系列（三）：独占锁（Exclusive Lock）
深入理解Java并发框架AQS系列（四）：共享锁（Shared Lock）
深入理解Java并发框架AQS系列（五）：条件队列（Condition）

一、前言

AQS中的条件队列相比较前文中的“独占锁”、“共享锁”等比较独立，即便没有条件队列也丝毫不影响诸如ReentrantLock、Semaphore类的实现，那如此说来条件队列是否就是一个可有可无的产物？答案是否定的，我们来看下直接或间接用到条件队列的JDK并发类：

ReentrantLock 独占锁经典类
ReentrantReadWriteLock 读写锁
ArrayBlockingQueue 基于数组的阻塞队列
CyclicBarrier 循环栅栏，解决线程同步问题
DelayQueue 延时队列
LinkedBlockingDeque 双向阻塞队列
PriorityBlockingQueue 支持优先级的无界阻塞队列
ThreadPoolExecutor 线程池构造器
ScheduledThreadPoolExecutor 可基于时间调度的线程池构造器
StampedLock 邮戳锁，1.8后引入，更高效的读写锁

如此豪华的阵容，可见Condition的地位不可小觑

我们简单描述下条件队列实现的功能：有3个线程A、B、C，分别调用wait/await方法后，线程进入阻塞，在没有其他线程去唤醒的情况下，3个线程将永远处于阻塞状态。此时如果有另外线程调用notify/signal，那么A、B、C线程中的某一个将被激活（根据其进入条件队列的顺序而定），从而执行后续的逻辑；如果调用notifyAll/signalAll的话，那么3个线程都将被激活，这可能是我们对条件队列的简单认识。这样的描述是否准确呢？可能不太严谨，我们引入JDK的条件队列来做说明

统一话术：其实语法层面支持的wait/notify与AQS都属于JDK的范畴，但为了区分两者，我们定义如下：

JDK条件队列：语法层面提供支持的wait/notify，即Object类中的wait()/notify()方法
AQS条件队列：AQS提供的条件队列，即AQS内部的ConditionObject类

二、JDK中的条件队列（wait/notify）

众所周知，在JDK中，wait/notify/notifyAll是根对象Object中内置的方法，且方法均被定义为native本地方法

// 等待
public final native void wait(long timeout) throws InterruptedException;
// 唤醒
public final native void notify();
// 唤醒所有等待线程
public final native void notifyAll();

2.1、wait

// 步骤1
synchronized (obj) {
  // 步骤2
  before();
  // 步骤3
  obj.wait();
  // 步骤4
  after();
}

相信大家对上述代码并不陌生，我们将JDK的条件队列抽象为4步，逐一阐述

步骤1： synchronized (obj)
- 在jdk中如果想调用Object.wait()方法，必须首先获取该对象的synchronized锁，当前步骤，如果成功获取到锁，那么将进入“步骤2”，如果存在并发，当前线程将会进入阻塞（线程状态为BLOCKED），知道获取到锁为止
步骤2： before()
- 我们知道synchronized是独占锁，所以在执行步骤2代码时，程序是不存在并发的，即同一时刻，只有一个线程正在执行，此处也相对好理解
步骤3： obj.wait()
- 此步骤是将当前线程放入条件队列，同时释放obj的同步锁。此处跟我们对synchronized的认知有悖，我们一般认为synchronized (obj) {......}在大括号中的代码会一直持有锁，而事实情况却是，当程序执行wait()方法时，会释放obj的同步锁
步骤4： after()
- 此步骤是并发执行还是串行执行？假设我们现在有3个线程A、B、C都已经执行完毕wait()方法，并进入了条件队列，等待其他线程唤醒；此时另外一个线程执行了notifyAll()时，后续的激活流程是怎么样的？
  - 错误观点：有很多同学直观感受是，线程A、B、C同时被激活，所以步骤4是并发执行的；就像是百米赛跑，所有同学都准备就绪(wait)，一声枪响后（notifyAll），所有人开始赛跑，并跑到终点（步骤4）
  - 正确观点：其实“步骤4”是串行执行的，大家再检查下代码后便可发现，“步骤4”处于synchronized的大括号之间；还是拿上述赛跑举例，如果认为从听到枪响至跑到终点是“步骤4”的话，那真实的场景应该是这样的：一声枪响后，A起跑，B、C原地不动；A跑到终点后，B开始起跑，C原地不动；最后是C跑到终点

由此我们断定，obj.wait()虽然是native方法，但其内部经历了释放锁、重新抢锁的两个大环节

2.2、notify

synchronized (obj) {
  obj.notify();
  // obj.notifyAll();
}

所有因obj.wait()阻塞的线程，都要通过notify来唤醒

notify() 唤醒条件队列中，队首节点
notifyAll() 唤醒条件队列中所有节点

三、AQS中的条件队列（await/signal）

我们初看AQS中的条件队列时，发现其提供了与JDK条件队列几乎一致的功能

JDK	AQS
`wait`	`await`
`notify`	`singal`
`notifyAll`	`singalAll`

用法上也及其相似：

await ：

// 初始化
Lock lock = new ReentrantLock();
Condition condition = lock.newCondition();
try {
  lock.lock();
  condition.await();
} catch (InterruptedException e) {
  e.printStackTrace();
} finally {
  lock.unlock();
}

singal：

Lock lock = new ReentrantLock();
Condition condition = lock.newCondition();
try {
  lock.lock();
  condition.signal();
} finally {
  lock.unlock();
}

3.1、条件队列

我们知道在AQS内部维护了一个阻塞队列，数据结构如下：

阻塞队列FIFO数据结构

上图描述的是一个长度为 3 的FIFO阻塞队列，因为头结点常驻内存，所以不算在内；我们可以发现阻塞队列中每个节点都包含了前、后引用

那AQS内部的另一个条件队列又是什么样的数据结构呢？

条件队列数据结构

可见，条件队列为单向列表，只有指向下一个节点的引用；没有被唤醒的节点全部存储在条件队列上。上图描述的是一个长度为 5 的条件队列，即有5个线程执行了await()方法；与阻塞队列不同，条件队列没有常驻内存的“head结点”，且一个处于正常状态节点的waitStatus为 -2 。当有新节点加入时，将会追加至队列尾部

3.2、唤醒

当我们调用signal()方法时，会发生什么？我们还是拿长度为 5 的条件队列举例说明，在AQS内部会经历队列转移，即由条件队列转移至阻塞队列

signal条件队列向阻塞队列转移

而signalAll()执行时，具体执行流程与signal()类似，即会将条件队列中的所有节点全部转移至阻塞队列（并发度为1，按顺序依次激活）中，依靠阻塞队列自身依次唤醒的机制，达到激活所有线程的目的

四、JDK vs AQS

经过上文的介绍，似乎AQS做了与wait/notify相同的功能，相比较而言，甚至JDK的写法更简洁；那他们在性能上的表现如何呢？让我们来做个对比

4.1、对比

我们模拟这样的一个场景：启动10个线程，分别调用wait()方法，当所有线程都进入阻塞后，调用notifyAll()，10个线程均被唤醒并执行完毕后，方法结束。上述方法执行10000次，对比JDK与AQS耗时

JDK测试代码：

public class ConditionCompareTest {

  @Test
  public void runTest() throws InterruptedException {
    long begin = System.currentTimeMillis();
    for (int i = 0; i < 10000; i++) {
      if (i % 1000 == 0) {
        System.out.println(i);
      }
      jdkTest();
    }
    long cost = System.currentTimeMillis() - begin;
    System.out.println("耗时： " + cost);
  }
  
  public void jdkTest() throws InterruptedException {
    Object lock = new Object();
    List<Thread> list = Lists.newArrayList();
    // 步骤一：启动10个线程，并进入wait等待
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
      Thread thread = new Thread(() -> {
        try {
          synchronized (lock) {
            lock.wait();
          }
        } catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
        }
      });
      thread.start();
      list.add(thread);
    }

    // 步骤二：等待10个线程全部进入wait方法
    while (true) {
      boolean allWaiting = true;
      for (Thread thread : list) {
        if (thread.getState() != Thread.State.WAITING) {
          allWaiting = false;
          break;
        }
      }
      if (allWaiting) {
        break;
      }
    }

    // 步骤三：唤醒10个线程
    synchronized (lock) {
      lock.notifyAll();
    }

    // 步骤四：等待10个线程全部执行完毕
    for (Thread thread : list) {
      thread.join();
    }
  }
}

AQS测试代码：

public class ConditionCompareTest {
  private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
  private Condition condition = lock.newCondition();

  @Test
  public void runTest() throws InterruptedException {
    long begin = System.currentTimeMillis();
    for (int i = 0; i < 10000; i++) {
      if (i % 1000 == 0) {
        System.out.println(i);
      }
      aqsTest();
    }
    long cost = System.currentTimeMillis() - begin;
    System.out.println("耗时： " + cost);
  }

  @Test
  public void aqsTest() throws InterruptedException {
    AtomicInteger lockedNum = new AtomicInteger();
    List<Thread> list = Lists.newArrayList();
    // 步骤一：启动10个线程，并进入wait等待
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
      Thread thread = new Thread(() -> {
        try {
          lock.lock();
          lockedNum.incrementAndGet();
          condition.await();
          lock.unlock();
        } catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
        }
      });
      thread.start();
      list.add(thread);
    }

    // 步骤二：等待10个线程全部进入wait方法
    while (true) {
      if (lockedNum.get() != 10) {
        continue;
      }
      boolean allWaiting = true;
      for (Thread thread : list) {
        if (thread.getState() != Thread.State.WAITING) {
          allWaiting = false;
          break;
        }
      }
      if (allWaiting) {
        break;
      }
    }

    // 步骤三：唤醒10个线程
    lock.lock();
    condition.signalAll();
    lock.unlock();

    // 步骤四：等待10个线程全部执行完毕
    for (Thread thread : list) {
      thread.join();
    }
  }
}

条件队列	耗时1	耗时2	耗时3	耗时4	耗时5	平均耗时（ms）
`JDK`	5000	5076	5054	5089	4942	5032
`AQS`	5358	5440	5444	5473	5472	5437

4.2、基准测试Q&A

基于以上的测试我们还是有一些疑问的，不要小看这些疑问，通过这些疑问我们可以把之前的知识点全都串联起来

Q：AQS测试中的“步骤二”，为什么在判断“等待10个线程全部进入wait方法”时，要引入lockedNum.get() != 10的判断？直接通过判断所有线程是否均为waiting方法不可以吗？
A：如果真的删除lockedNum.get() != 10的判断，在多次并发测试时，会有较小的概率出现程序死锁的情况（作者电脑的环境是平均5万次调用会出现一次），为什么会出现死锁呢？我们追AQS源码就会发现，不管是调用lock()还是await，挂起线程使用的方法均为LockSupport.park()方法，此方法会将线程置为WAITING状态，也就是线程状态是WAITING状态时，有可能线程刚进入lock()方法，从而导致await与thread.join()的死锁
Q：既然是这样，为什么JDK的测试没有出现死锁？
A：我们看到JDK的加锁是通过synchronized关键字完成的，而当线程因为等待synchronized资源而阻塞时，线程状态将变为BLOCKED，而进入wait()方法后，状态才会变为WAITING
Q：那看来只有通过引入AtomicInteger lockedNum变量才能解决死锁问题了
A：其实解决问题的方式有很多种，我们甚至可以简单将ReentrantLock lock置为公平锁，也能解决上述死锁问题；因为当前场景发生死锁的情况是，singalAll()先于await()发生，而当所有线程都变成WAITING状态后，公平锁则确保了singalAll()一定是在所有线程都调用了await()。但因为synchronized本身是非公平锁，故如果AQS使用公平锁的话，性能偏差较大
Q：那这样看来，AQS中的阻塞队列相对比JDK的没有优势可言啊，用法上没有JDK简洁，性能上还没人家快
A：的确，如果真是只是单纯的使用阻塞、唤醒功能的话，还是建议使用JDK内置的方式；但AQS的优势并不在此

五、再说AQS条件队列

AQS的优势在于，其提供了丰富的api可以查询条件队列的状态；例如当我们想看一下在条件队列中等待节点的个数时，使用JDK的wait/notify时，是无法做的；AQS提供的api如下：

boolean hasWaiters() 阻塞队列中是否有等待节点
int getWaitQueueLength() 获取阻塞队列长度
Collection<Thread> getWaitingThreads() 获取阻塞队列中线程对象

这些api为程序提供了更灵活的控制，条件队列对于javaer已不是黑盒；当然使用AQS的条件队列必然要引入独占锁，例如ReentrantLock，自然地我们还可以通过它查看条件队列外围的一些指标，例如：

Interrupted 响应中断，借助独占锁，提供响应中断能力； wait/notify不提供，因为虽然wait方法响应中断，但是synchronized关键字是会一直阻塞的
boolean tryLock() 尝试获取锁； wait/notify不提供
int getHoldCount() 获取阻塞线程的数量
boolean isLocked() 是否持有锁
fair/nonFair 提供公平/非公平锁
...

可见整个AQS体系相比较Object的wait/notify方法是相当灵活的，提供了很多监控条件队列、阻塞队列的指标

六、致谢

这里要特别感谢一下神策数据的架构师金满仓，同时也是我私下的挚友。他功力深厚，对程序有着自己独到的见地，在整个AQS编写期间，不厌其烦地给我提供了很多理论及数据上的支持，帮我拓宽视野，再次感谢！

posted @ 2021-04-28 09:48 昔久阅读(2795) 评论(3) 编辑收藏举报

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