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Java AQS框架：如何利用ConditionObject实现线程的精确等待与唤醒

Java AQS框架：利用ConditionObject实现线程的精确等待与唤醒

大家好，今天我们来深入探讨Java并发编程中一个非常重要的概念：AQS（AbstractQueuedSynchronizer）框架，以及如何利用它的内部类ConditionObject来实现线程的精确等待与唤醒。AQS是构建锁和其他同步组件的基础，而ConditionObject则提供了比synchronized关键字自带的wait/notify机制更加灵活和强大的线程协作能力。

AQS框架概述

AQS是一个抽象的同步队列框架，它定义了一种通用的阻塞锁和相关同步器行为。它的核心思想是使用一个volatile int state变量来表示同步状态，并通过FIFO队列来管理阻塞的线程。

AQS的设计基于以下几个关键概念：

  1. 同步状态（State）： 由volatile int state变量表示，用于描述同步器的状态，例如锁是否被持有。
  2. FIFO队列（CLH队列）： 一个双向链表，用于维护所有等待获取同步状态的线程。每个线程都包装成一个Node节点加入队列。
  3. 独占模式（Exclusive Mode）： 只有一个线程可以获取同步状态，例如ReentrantLock。
  4. 共享模式（Shared Mode）： 允许多个线程同时获取同步状态，例如CountDownLatch。

AQS提供了一系列模板方法，子类需要实现这些方法来定义同步状态的获取和释放逻辑。常见的模板方法包括：

  • tryAcquire(int arg): 尝试以独占模式获取同步状态。
  • tryRelease(int arg): 尝试释放独占模式下的同步状态。
  • tryAcquireShared(int arg): 尝试以共享模式获取同步状态。
  • tryReleaseShared(int arg): 尝试释放共享模式下的同步状态。
  • isHeldExclusively(): 当前同步器是否在独占模式下被线程占用。

通过继承AQS并实现这些方法，我们可以轻松地构建各种类型的同步器，例如锁、信号量、倒计数器等。

ConditionObject的作用和原理

ConditionObject是AQS的一个内部类，它实现了Condition接口，提供了类似Object的wait/notify机制，但更加强大和灵活。每个ConditionObject都与一个AQS同步器关联，并且维护着一个独立的等待队列。

ConditionObject的主要作用是：

  • 线程等待： 当线程无法满足继续执行的条件时，可以调用await()方法将线程放入等待队列并释放持有的锁。
  • 线程唤醒： 当某个条件满足时，可以调用signal()或signalAll()方法唤醒等待队列中的一个或所有线程，让它们重新尝试获取锁并继续执行。

ConditionObject的工作原理如下：

  1. 等待队列： 每个ConditionObject维护一个独立的等待队列，用于存放调用await()方法而被阻塞的线程。这个队列也是一个FIFO队列，与AQS的同步队列不同。
  2. await()方法： 当线程调用await()方法时：
    • 它会释放当前线程持有的AQS锁。
    • 它会被包装成一个Node节点，并加入到ConditionObject的等待队列中。
    • 线程进入阻塞状态，等待被唤醒。
  3. signal()方法： 当线程调用signal()方法时：
    • 它会从ConditionObject的等待队列中移除一个节点（代表一个等待线程）。
    • 它会将该节点转移到AQS的同步队列中，让线程重新参与锁的竞争。
  4. signalAll()方法： 当线程调用signalAll()方法时：
    • 它会将ConditionObject的等待队列中的所有节点都移除。
    • 它会将这些节点转移到AQS的同步队列中，让所有等待线程重新参与锁的竞争。

关键区别： ConditionObject的等待队列和AQS的同步队列是两个独立的队列。线程在等待队列中等待的是某个特定条件的满足，而在同步队列中等待的是获取锁的资格。

ConditionObject的使用示例

让我们通过一个生产者-消费者模型的例子来演示如何使用ConditionObject实现线程的精确等待和唤醒。

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

public class ProducerConsumer {

    private final Queue<Integer> buffer = new LinkedList<>();
    private final int maxSize;
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition notFull = lock.newCondition();
    private final Condition notEmpty = lock.newCondition();

    public ProducerConsumer(int maxSize) {
        this.maxSize = maxSize;
    }

    public void produce(int value) throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (buffer.size() == maxSize) {
                System.out.println("Buffer is full, producer waiting...");
                notFull.await(); // 缓冲区已满，生产者等待
            }
            buffer.offer(value);
            System.out.println("Produced: " + value);
            notEmpty.signal(); // 唤醒消费者
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public int consume() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (buffer.isEmpty()) {
                System.out.println("Buffer is empty, consumer waiting...");
                notEmpty.await(); // 缓冲区为空，消费者等待
            }
            int value = buffer.poll();
            System.out.println("Consumed: " + value);
            notFull.signal(); // 唤醒生产者
            return value;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ProducerConsumer pc = new ProducerConsumer(5);

        Thread producer1 = new Thread(() -> {
            try {
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    pc.produce(i);
                    Thread.sleep((long) (Math.random() * 100));
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        });

         Thread producer2 = new Thread(() -> {
            try {
                for (int i = 100; i < 110; i++) {
                    pc.produce(i);
                    Thread.sleep((long) (Math.random() * 100));
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        });

        Thread consumer1 = new Thread(() -> {
            try {
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    pc.consume();
                    Thread.sleep((long) (Math.random() * 100));
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        });

        Thread consumer2 = new Thread(() -> {
            try {
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    pc.consume();
                    Thread.sleep((long) (Math.random() * 100));
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        });

        producer1.start();
        producer2.start();
        consumer1.start();
        consumer2.start();
    }
}

在这个例子中：

  • buffer是一个共享的缓冲区，用于存放生产者生产的产品。
  • maxSize是缓冲区的最大容量。
  • lock是一个ReentrantLock，用于保护对缓冲区的并发访问。
  • notFull和notEmpty是两个ConditionObject，分别用于表示缓冲区未满和缓冲区非空这两个条件。

生产者线程在produce()方法中，首先获取锁，然后检查缓冲区是否已满。如果已满，则调用notFull.await()方法将自己放入notFull的等待队列中，并释放锁。当消费者线程从缓冲区中取走一个产品后，会调用notFull.signal()方法唤醒一个等待的生产者线程。

消费者线程在consume()方法中，首先获取锁，然后检查缓冲区是否为空。如果为空，则调用notEmpty.await()方法将自己放入notEmpty的等待队列中，并释放锁。当生产者线程向缓冲区中放入一个产品后，会调用notEmpty.signal()方法唤醒一个等待的消费者线程。

通过使用ConditionObject，我们可以实现线程的精确等待和唤醒，避免了使用synchronized关键字时可能出现的虚假唤醒问题。

ConditionObject的优势

与synchronized关键字自带的wait/notify机制相比，ConditionObject具有以下优势：

  • 多个等待队列： 每个ConditionObject都维护一个独立的等待队列，可以根据不同的条件将线程放入不同的等待队列中。这使得我们可以更加精确地控制线程的等待和唤醒，避免了不必要的线程唤醒和竞争。
  • 避免虚假唤醒： ConditionObject的await()方法在返回之前会重新检查等待条件是否满足，从而避免了虚假唤醒问题。而synchronized关键字的wait()方法可能会在没有其他线程调用notify()或notifyAll()方法的情况下被唤醒。
  • 更强的灵活性： ConditionObject提供了awaitUninterruptibly()、awaitNanos()、awaitUntil()等多种等待方法，可以满足不同的等待需求。

表格对比：synchronized vs ConditionObject

特性 synchronized (wait/notify) ConditionObject (await/signal)
等待队列数量 只有一个 可以有多个
避免虚假唤醒 需要手动处理 自动处理
等待方法 wait(), notify(), notifyAll() await(), signal(), signalAll(), awaitUninterruptibly(), awaitNanos(), awaitUntil()
与锁的关联 隐式与对象锁关联 显式与Lock关联
灵活性 较低 较高
适用场景 简单同步场景 复杂同步场景，需要精确控制线程等待和唤醒

ConditionObject的使用注意事项

在使用ConditionObject时，需要注意以下几点：

  1. 必须在锁的保护下使用： await()、signal()和signalAll()方法必须在获取锁之后才能调用，否则会抛出IllegalMonitorStateException异常。
  2. 避免死锁： 在使用多个ConditionObject时，需要注意避免死锁的发生。例如，如果线程A在等待condition1的信号，而线程B在等待condition2的信号，并且线程A持有condition2的锁，线程B持有condition1的锁，那么就可能发生死锁。
  3. 使用循环检查等待条件： 在await()方法返回后，应该使用循环再次检查等待条件是否满足，以防止虚假唤醒。
  4. 优先使用signalAll()： 在某些情况下，使用signalAll()方法唤醒所有等待线程可能比使用signal()方法唤醒单个线程更有效率。因为signal()方法可能会唤醒一个不满足条件的线程，导致线程再次进入等待状态。
  5. 理解awaitUninterruptibly()： awaitUninterruptibly()方法不会响应中断，这在某些需要保证线程必须完成任务的场景下很有用。但是，在使用该方法时需要格外小心，因为它可能会导致线程无限期地等待。

AQS的公平性和非公平性

AQS支持公平锁和非公平锁两种模式。公平锁保证线程按照请求的顺序获取锁，而非公平锁则允许线程插队，即新来的线程可能比等待时间更长的线程更快地获取到锁。

ReentrantLock默认创建的是非公平锁，可以通过构造函数指定为公平锁：

// 非公平锁
ReentrantLock lock1 = new ReentrantLock();

// 公平锁
ReentrantLock lock2 = new ReentrantLock(true);

公平锁的优点是可以避免线程饥饿，但缺点是性能相对较低，因为需要维护一个严格的FIFO队列。非公平锁的优点是性能较高，但缺点是可能导致线程饥饿。

在选择公平锁还是非公平锁时，需要根据具体的应用场景进行权衡。如果对公平性有严格要求，则应该选择公平锁；如果对性能要求较高，则可以选择非公平锁。

AQS在Java并发包中的应用

AQS是Java并发包中许多同步组件的基础，例如：

  • ReentrantLock：可重入锁，支持公平锁和非公平锁。
  • ReentrantReadWriteLock：可重入读写锁，允许多个线程同时读取共享资源，但只允许一个线程写入共享资源。
  • Semaphore：信号量，用于控制对共享资源的访问数量。
  • CountDownLatch：倒计数器，用于等待多个线程完成任务。
  • CyclicBarrier：循环栅栏，用于同步多个线程的执行。
  • FutureTask：异步计算任务，可以获取异步计算的结果。

理解AQS的原理和使用方法，可以帮助我们更好地理解和使用这些同步组件，从而编写出更加高效和可靠的并发程序。

总结：精确控制线程协作

AQS框架及其内部类ConditionObject为Java并发编程提供了强大的工具，可以实现线程的精确等待和唤醒。通过ConditionObject，我们可以根据不同的条件将线程放入不同的等待队列中，避免了不必要的线程唤醒和竞争，提高了并发程序的性能和可靠性。在实际应用中，我们需要根据具体的场景选择合适的同步组件，并注意避免死锁等并发问题。理解AQS的公平性和非公平性，可以帮助我们更好地权衡性能和公平性之间的关系。

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