Java并发之Condition

Condition的认知

• 在使用Lock之前，我们使用的最多的同步方式应该是synchronized关键字来实现同步方式了。配合Object的wait()、notify()系列方法可以实现等待/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。Object和Condition接口的一些对比。摘自《Java并发编程的艺术》

Condition接口的介绍与示例

首先我们需要明白condition对象是依赖于lock对象的，意思就是说condition对象需要通过lock对象进行创建出来(调用Lock对象的newCondition()方法)。condition的使用方式非常的简单。但是需要注意在调用方法前获取锁。
调用示例

/**
 * condition使用示例：
 * 1、condition的使用必须要配合锁使用，调用方法时必须要获取锁
 * 2、condition的创建依赖于Lock lock.newCondition()；
 */
public class ConditionUseCase {
    /**
     * 创建锁
     */
    public Lock readLock = new ReentrantLock();
    /**
     * 创建条件
     */
    public Condition condition = readLock.newCondition();

    public static void main(String[] args) {
        ConditionUseCase useCase = new ConditionUseCase();
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(2);
        executorService.execute(() -> {
            //获取锁进行等待
            useCase.conditionWait();
        });
        executorService.execute(() -> {
            //获取锁进行唤起读锁
            useCase.conditionSignal();
        });
    }

    /**
     * 等待线程
     */
    public void conditionWait() {
        readLock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿到锁了");
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "等待信号");
            condition.await();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿到信号");
        } catch (Exception e) {

        } finally {
            readLock.unlock();
        }
    }

    /**
     * 唤起线程
     */
    public void conditionSignal() {
        readLock.lock();
        try {
            //睡眠5s 线程1启动
            Thread.sleep(5000);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿到锁了");
            condition.signal();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "发出信号");
        } catch (Exception e) {

        } finally {
            //释放锁
            readLock.unlock();
        }
    }

}

执行结果

 1 pool-1-thread-1拿到锁了
 2 pool-1-thread-1等待信号 ---释放锁-线程等待 t1
 3 pool-1-thread-2拿到锁了
 4 pool-1-thread-2发出信号 --- 唤起线程t2释放锁
 5 pool-1-thread-1拿到信号---t1继续执行

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接口常用方法

condition可以通俗的理解为条件队列。当一个线程在调用了await方法以后，直到线程等待的某个条件为真的时候才会被唤醒。这种方式为线程提供了更加简单的等待/通知模式。Condition必须要配合锁一起使用，因为对共享状态变量的访问发生在多线程环境下。一个Condition的实例必须与一个Lock绑定，因此Condition一般都是作为Lock的内部实现。

1. await() ：造成当前线程在接到信号或被中断之前一直处于等待状态。
2. boolean await(long time, TimeUnit unit) ：造成当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态---》是否超时，超时异常
3. awaitNanos(long nanosTimeout) ：造成当前线程在接到信号、被中断或到达指定等待时间之前一直处于等待状态。返回值表示剩余时间，如果在nanosTimesout之前唤醒，那么返回值 = nanosTimeout - 消耗时间，如果返回值 <= 0 ,则可以认定它已经超时了。
4. awaitUninterruptibly() ：造成当前线程在接到信号之前一直处于等待状态。【注意：该方法对中断不敏感】。
5. awaitUntil(Date deadline) ：造成当前线程在接到信号、被中断或到达指定最后期限之前一直处于等待状态。如果没有到指定时间就被通知，则返回true，否则表示到了指定时间，返回返回false。
6. signal() ：唤醒一个等待线程。该线程从等待方法返回前必须获得与Condition相关的锁。
7. signalAll() ：唤醒所有等待线程。能够从等待方法返回的线程必须获得与Condition相关的锁。

Condition接口原理简单解析

   Condition是AQS的内部类。每个Condition对象都包含一个队列(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。等待队列的基本结构如下所示。

• 等待队列分为首节点和尾节点。当一个线程调用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。
• 新增节点就是将尾部节点指向新增的节点。节点引用更新本来就是在获取锁以后的操作，所以不需要CAS保证。同时也是线程安全的操作。

等待

• 当线程调用了await方法以后。线程就作为队列中的一个节点被加入到等待队列中去了。同时会释放锁的拥有。

• 当从await方法返回的时候。一定会获取condition相关联的锁。当等待队列中的节点被唤醒的时候，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异常信息。

  通知

调用Condition的signal()方法，将会唤醒在等待队列中等待最长时间的节点（条件队列里的首节点），在唤醒节点前，会将节点移到同步队列中。当前线程加入到等待队列中如图所示：

在调用signal()方法之前必须先判断是否获取到了锁。接着获取等待队列的首节点，将其移动到同步队列并且利用LockSupport唤醒节点中的线程。节点从等待队列移动到同步队列如下图所示：

被唤醒的线程将从await方法中的while循环中退出。随后加入到同步状态的竞争当中去。成功获取到竞争的线程则会返回到await方法之前的状态。

总结

• 调用await方法后，将当前线程加入Condition等待队列中。当前线程释放锁。否则别的线程就无法拿到锁而发生死锁。自旋(while)挂起，不断检测节点是否在同步队列中了，如果是则尝试获取锁，否则挂起。
• 当线程被signal方法唤醒，被唤醒的线程将从await()方法中的while循环中退出来，然后调用acquireQueued()方法竞争同步状态。

利用Condition实现生产者消费者模式

public class BoundedQueue {

    /**
     * 生产者容器
     */
    private LinkedList<Object> buffer;
    /**
     * //容器最大值是多少
     */
    private int maxSize;
    
    private Lock lock;
    
    /**
     * 满了
     */
    private Condition fullCondition;
    
    /**
     * 不满
     */
    private Condition notFullCondition;

    BoundedQueue(int maxSize) {
        this.maxSize = maxSize;
        buffer = new LinkedList<Object>();
        lock = new ReentrantLock();
        fullCondition = lock.newCondition();
        notFullCondition = lock.newCondition();
    }

    /**
     * 生产者
     *
     * @param obj
     * @throws InterruptedException
     */
    public void put(Object obj) throws InterruptedException {
        //获取锁
        lock.lock();
        try {
            while (maxSize == buffer.size()) {
                //满了，添加的线程进入等待状态
                notFullCondition.await();
            }
            buffer.add(obj);
            //通知
            fullCondition.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    /**
     * 消费者
     *
     * @return
     * @throws InterruptedException
     */
    public Object get() throws InterruptedException {
        Object obj;
        lock.lock();
        try {
            while (buffer.size() == 0) {
                //队列中没有数据了 线程进入等待状态
                fullCondition.await();
            }
            obj = buffer.poll();
            //通知
            notFullCondition.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
        return obj;
    }

}

注意:
Condition的await与signal的使用(相反等待，相同唤起)；

阻塞队列实现异步操作

1.新建一个单例共享对象

/**
 * 单例共享队列
 *
 * @author eddy
 */
public class SingleQueue {

    /**
     * 私有静态变量：volatile多线程可见
     */
    private volatile static SingleQueue instance;

    /**
     * 私有属性:阻塞队列
     */
    private LinkedBlockingQueue<Map<String, Object>> queue;

    /**
     * 构造方法私有化
     *
     * @param queue 队列
     */
    private SingleQueue(LinkedBlockingQueue<Map<String, Object>> queue) {
        this.queue = queue;
    }

    /**
     * 公开静态初始化对象方法
     *  双重检查锁保证线程安全
     * @return
     */
    public static SingleQueue getInstance() {
        if (null == instance) {
            synchronized (SingleQueue.class) {
                if (null == instance) {
                    instance = new SingleQueue(new LinkedBlockingQueue<>());
                }
            }
        }
        return instance;
    }

    public LinkedBlockingQueue<Map<String, Object>> getQueue() {
        return this.queue;
    }
}

2.应用启动的时候初始化共享对象(阻塞队列)-- 实现ApplicationRunner/CommandLineRunner接口

@Component
public class ConsumerQueue implements ApplicationRunner {
    
    @Override
    public void run(ApplicationArguments args) throws Exception {
        //初始化阻塞队列
        LinkedBlockingQueue<Map<String, Object>> queue = SingleQueue.getInstance().getQueue();
        //循环消费
        while (true) {
            try {
                //获取阻塞队列的数据进行消费
                System.out.println(queue.hashCode());
                Map<String, Object> take = queue.take();
                //TODO 业务逻辑处理
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

3.模拟生产者

@GetMapping("/test")
public String test(@RequestParam("userName") String userName) {
    //获取队列进行插入
     LinkedBlockingQueue<Map<String, Object>> queue = SingleQueue.getInstance().getQueue();
     System.out.println(queue.hashCode());
     Map<String, Object> map = new HashMap<>();
     map.put("user", userName);
     try {
            queue.put(map);
     } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
     }
        return "hello";
}