Java面試必備之AQS阻塞隊(duì)列和條件隊(duì)列

更新時(shí)間：2021年06月22日 14:49:11 作者：Java薩曼莎

我們大概知道AQS就是一個(gè)框架,把很多功能都給實(shí)現(xiàn)了（比如入隊(duì)規(guī)則,喚醒節(jié)點(diǎn)中的線程等）,我們?nèi)绻褂玫脑捴恍枰獙?shí)現(xiàn)其中的一些方法（比如tryAcquire等）就行了！這次主要說說AQS中阻塞隊(duì)列的的入隊(duì)規(guī)則還有條件變量,需要的朋友可以參考下

一.AQS入隊(duì)規(guī)則

我們仔細(xì)分析一下AQS是如何維護(hù)阻塞隊(duì)列的，在獨(dú)占方式獲取資源的時(shí)候，是怎么將競爭鎖失敗的線程丟到阻塞隊(duì)列中的呢？

我們看看acquire方法，這里首先會調(diào)用子類實(shí)現(xiàn)的tryAcquire方法嘗試修改state，修改失敗的話，說明線程競爭鎖失敗，于是會走到后面的這個(gè)條件；

這個(gè)addWaiter方法就是將當(dāng)前線程封裝成一個(gè)Node.EXCLUSIVE類型的節(jié)點(diǎn)，然后丟到阻塞隊(duì)列中；

第一次還沒有阻塞隊(duì)列的時(shí)候，會到enq方法里面，我們仔細(xì)看看enq方法

enq()方法中，我們在第一次進(jìn)入這個(gè)方法的時(shí)候，下面圖一所示，tail和head都指向null；

第一次循環(huán)，到首先會到圖二，然后判斷t所指向的節(jié)點(diǎn)是不是null，如果是的話，就用CAS更新節(jié)點(diǎn)，這個(gè)CAS我們可以看作：頭節(jié)點(diǎn)head為null，我們把head節(jié)點(diǎn)更新為一個(gè)哨兵節(jié)點(diǎn)（哨兵節(jié)點(diǎn)就是new Node()），再將tail也指向head，就是圖三了

第二次for循環(huán)：走到上面的else語句，將新節(jié)點(diǎn)的前一個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置為哨兵節(jié)點(diǎn)；

然后就是CAS更新節(jié)點(diǎn)，這里CAS的意思：如果最后的節(jié)點(diǎn)tail指向的和t是一樣的，那么就將tail指向node節(jié)點(diǎn)

最后再將t的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置為node，下圖所示，就ok了

二.AQS條件變量的使用

什么是條件變量呢？我們在開始介紹AQS的時(shí)候，還有一個(gè)內(nèi)部類沒有說，就是ConditionObject，還記得前面說過的Unsafe中的park和unpark方法嗎？而這個(gè)ConditionObject就對這兩個(gè)方法進(jìn)行了一次封裝，await()和signal()方法，但是更靈活，可以創(chuàng)建多個(gè)條件變量，每個(gè)條件變量維護(hù)一個(gè)條件隊(duì)列（就是一個(gè)單向鏈表，可以看到Node這個(gè)內(nèi)部類中個(gè)屬性是nextWaiter）；

注意：每一個(gè)條件變量里面都維護(hù)了一個(gè)條件隊(duì)列

舉個(gè)例子，如下所示；

package com.example.demo.study;

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

public class Study0201 {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 創(chuàng)建鎖對象
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        // 創(chuàng)建條件變量
        Condition condition = lock.newCondition();
        // 以下創(chuàng)建兩個(gè)線程，里面都會獲取鎖和釋放鎖
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try {
                System.out.println("await begin");
                // 注意，這里調(diào)用條件變量的await方法，當(dāng)前線程就會丟到condition條件變量中的條件隊(duì)列中阻塞
                condition.await();
                System.out.println("await end");
            } catch (InterruptedException e) {
                //
            } finally {
                lock.unlock();
            }

        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try {
                System.out.println("signal begin");
                // 喚醒被condition變量內(nèi)部隊(duì)列中的某個(gè)線程
                condition.signal();
                System.out.println("signal end");
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        });
        thread1.start();
        Thread.sleep(500);
        thread2.start();
    }
}

還可以創(chuàng)建多個(gè)條件變量，如下所示，每一個(gè)條件變量都維護(hù)了一個(gè)條件隊(duì)列：

package com.example.demo.study;

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

public class Study0201 {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 創(chuàng)建鎖對象
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        // 創(chuàng)建條件變量1
        Condition condition1 = lock.newCondition();
        //條件變量2
        Condition condition2 = lock.newCondition();
        
        // 以下創(chuàng)建兩個(gè)線程，里面都會獲取鎖和釋放鎖
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try {
                System.out.println("await begin");//1
                condition1.await();
                System.out.println("await end");//5
                
                System.out.println("condition2---signal---start");//6
                condition2.signal();
                System.out.println("condition2---signal---endend");//7
            } catch (InterruptedException e) {
                //
            } finally {
                lock.unlock();
            }

        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {

            lock.lock();
            try {
                System.out.println("signal begin");//2
                condition1.signal();
                System.out.println("signal end");//3
                
                System.out.println("condition2---await---start");//4
                condition2.await();
                System.out.println("condition2---await---end");//8
            } catch (InterruptedException e) {
                //
            } finally {
                lock.unlock();
            }

        });

        thread1.start();
        Thread.sleep(500);
        thread2.start();

    }

}

三.走進(jìn)條件變量

我們看看上面的獲取條件變量的方式Condition condition1 = lock.newCondition()，我們打開newCondition方法，最后就是創(chuàng)建一個(gè)ConditionObject實(shí)例；這個(gè)類是AQS的內(nèi)部類，通過這個(gè)類可以訪問AQS內(nèi)部的屬性和方法；

注意：在調(diào)用await方法和signal方法之前，必須要先獲取鎖

然后我們再看看條件變量的await方法，下圖所示，我們可以進(jìn)入到addConditionWaiter()方法內(nèi)部看看：

public final void await() throws InterruptedException {
    if (Thread.interrupted())
        throw new InterruptedException();
    //新建一個(gè)Node.CONDITION節(jié)點(diǎn)放到條件隊(duì)列最后面
    Node node = addConditionWaiter();
    //釋放當(dāng)前線程獲取的鎖
    int savedState = fullyRelease(node);
    int interruptMode = 0;
    //調(diào)用park()方法阻塞掛起當(dāng)前線程
    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);
}

private Node addConditionWaiter() {
    Node t = lastWaiter;
    //第一次進(jìn)來，這個(gè)lastWaiter是null，即t = null,不會進(jìn)入到這個(gè)if語句
    if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
        unlinkCancelledWaiters();
        t = lastWaiter;
    }
    //創(chuàng)建一個(gè)Node.CONDITION類型的節(jié)點(diǎn)，然后下面這個(gè)if中就是將第一個(gè)節(jié)點(diǎn)firstWaiter和最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)都指向這個(gè)新創(chuàng)建的節(jié)點(diǎn)
    Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
    if (t == null)
        firstWaiter = node;
    else
        t.nextWaiter = node;
    lastWaiter = node;
    return node;
}

順便在看看signal方法：

public final void signal() {
    if (!isHeldExclusively())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    //條件隊(duì)列移除第一個(gè)節(jié)點(diǎn)，然后把這個(gè)節(jié)點(diǎn)丟到阻塞隊(duì)列中，然后激活這個(gè)線程
    Node first = firstWaiter;
    if (first != null)
        doSignal(first);
}

我們想一想在AQS中阻塞隊(duì)列和條件隊(duì)列有什么關(guān)系?。?/p>

1.當(dāng)多個(gè)線程調(diào)用lock.lock()方法的時(shí)候，只有一個(gè)線程獲取到可鎖，其他的線程都會被轉(zhuǎn)為Node節(jié)點(diǎn)丟到AQS的阻塞隊(duì)列中，并做CAS自旋獲取鎖；

2.當(dāng)獲取到鎖的線程對應(yīng)的條件變量的await()方法被調(diào)用的時(shí)候，該線程就會釋放鎖，并把當(dāng)前線程轉(zhuǎn)為Node節(jié)點(diǎn)放到條件變量對應(yīng)的條件隊(duì)列中；

3.這個(gè)時(shí)候AQS的阻塞隊(duì)列中又會有一個(gè)節(jié)點(diǎn)中的線程能得到鎖了，如果這個(gè)線程又恰巧調(diào)用了對應(yīng)條件變量的await()方法時(shí)，又會重復(fù)2的步驟，然后阻塞隊(duì)列中又會有一個(gè)節(jié)點(diǎn)中的線程獲得鎖

4.然后，又有一個(gè)線程調(diào)用了條件變量的signal()或者signalAll()方法，就會把條件隊(duì)列中一個(gè)或者所有的節(jié)點(diǎn)都移動(dòng)到AQS阻塞隊(duì)列中，然后調(diào)用unpark方法進(jìn)行授權(quán)，就等著獲得鎖了；

一個(gè)鎖對應(yīng)一個(gè)阻塞隊(duì)列，但是對應(yīng)多個(gè)條件變量，每一個(gè)條件變量對應(yīng)一個(gè)條件隊(duì)列；其中，這兩種隊(duì)列中存放的都是Node節(jié)點(diǎn)，Node節(jié)點(diǎn)中封裝了線程及其狀態(tài)

到此這篇關(guān)于Java面試必備之AQS阻塞隊(duì)列和條件隊(duì)列的文章就介紹到這了,更多相關(guān)AQS阻塞隊(duì)列和條件隊(duì)列內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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