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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(shuō)說(shuō)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(jìng)爭(zhēng)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(huì)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(shuō)明線程競(jìng)爭(zhēng)鎖失敗,于是會(huì)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(méi)有阻塞隊(duì)列的時(shí)候,會(huì)到enq方法里面,我們仔細(xì)看看enq方法

enq()方法中,我們?cè)诘谝淮芜M(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(huì)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(yǔ)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?cè)陂_始介紹AQS的時(shí)候,還有一個(gè)內(nèi)部類沒(méi)有說(shuō),就是ConditionObject,還記得前面說(shuō)過(guò)的Unsafe中的park和unpark方法嗎?而這個(gè)ConditionObject就對(duì)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(duì)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(huì)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(huì)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?jī)?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(duì)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(huì)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(guò)這個(gè)類可以訪問(wèn)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?cè)倏纯礂l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(lái),這個(gè)lastWaiter是null,即t = null,不會(huì)進(jìn)入到這個(gè)if語(yǔ)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)系啊?

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(huì)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(duì)應(yīng)的條件變量的await()方法被調(diào)用的時(shí)候,該線程就會(huì)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(duì)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(huì)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(duì)應(yīng)條件變量的await()方法時(shí),又會(huì)重復(fù)2的步驟,然后阻塞隊(duì)列中又會(huì)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(huì)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(duì)應(yīng)一個(gè)阻塞隊(duì)列,但是對(duì)應(yīng)多個(gè)條件變量,每一個(gè)條件變量對(duì)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(qǐng)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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