Java中的condition类

Condition是在java 1.5中才出现的，它用来替代传统的Object的wait()、notify()实现线程间的协作，

相比使用Object的wait()、notify()，使用Condition的await()、signal()这种方式实现线程间协作更加安全和高效。

因此通常来说，线程通信的实现比较推荐使用Condition

Condition是个接口，基本的方法就是await()和signal()方法；
Condition依赖于Lock接口，生成一个Condition的基本代码是lock.newCondition()
调用Condition的await()和signal()方法，都必须在lock保护之内，就是说必须在lock.lock()和lock.unlock之间才可以使用，因为内部会做释放锁的操作，如果不是在lock和unlock之间使用，会报错java.lang.IllegalMonitorStateException

Conditon中的await()对应Object的wait()；

Condition中的signal()对应Object的notify()；

Condition中的signalAll()对应Object的notifyAll()。

简单demo

Lock lock = new ReentrantLock();
    Condition condition = lock.newCondition();
    public void conditionWait() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            condition.await();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public void conditionSignal() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            condition.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

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。

深入理解demo

获取一个Condition必须通过Lock的newCondition()方法。下面通过一个有界队列的示例来深入了解Condition的使用方式。有界队列是一种特殊的队列，当队列为空时，队列的获取操作将会阻塞获取线程，直到队列中有新增元素，当队列已满时，队列的插入操作将会阻塞插入线程，直到队列出现“空位”

public class BoundedQueue<T> {
    private Object[] items;

    // 添加的下标，删除的下标和数组当前数量
    private int addIndex,removeIndex,count;

    private Lock lock = new ReentrantLock();

    private Condition notEmpty = lock.newCondition();

    private Condition notFull = lock.newCondition();

    public BoundedQueue(int size){
        items = new Object[size];
    }

    /**
     * 添加一个元素，如果数组满，则添加线程进入等待状态，直到有"空位"
     * @author fuyuwei
     * 2017年5月21日 下午6:14:55
     * @param t
     * @throws InterruptedException
     */
    public void add(T t) throws InterruptedException{
        lock.lock();
        try{
            while(count == items.length){
                notFull.await();
            }
            items[addIndex] = t;
            if(++addIndex == items.length)
                addIndex = 0;
            ++count;
            notEmpty.signal();
        }finally{
            lock.unlock();
        }
    }

    /**
     * 由头部删除一个元素，如果数组空，则删除线程进入等待状态，直到有新添加元素
     * @author fuyuwei
     * 2017年5月21日 下午6:20:54
     * @return
     * @throws InterruptedException
     */
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public T remove() throws InterruptedException{
        lock.lock();
        try{
            while(count == 0)
                notEmpty.await();
            Object x = items[removeIndex];
            if(++removeIndex == items.length)
                removeIndex = 0;
            --count;
            notFull.signal();
            return (T)x;
        }finally{
            lock.unlock();
        }
    }
}

首先需要获得锁，目的是确保数组修改的可见性和排他性。当数组数量等于数组长度时，表示数组已满，则调用notFull.await()，当前线程随之释放锁并进入等待状态。如果数组数量不等于数组长度，表示数组未满，则添加元素到数组中，同时通知等待在notEmpty上的线程，数组中已经有新元素可以获取。在添加和删除方法中使用while循环而非if判断，目的是防止过早或意外的通知，只有条件符合才能够退出循环。

原理

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
一个Condition包含一个等待队列，Condition拥有首节点（firstWaiter）和尾节点（lastWaiter）。当前线程调用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，等待队列的基本结构如下图所示

如图所示，Condition拥有首尾节点的引用，而新增节点只需要将原有的尾节点nextWaiter指向它，并且更新尾节点即可。上述节点引用更新的过程并没有使用CAS保证，原因在于调用await()方法的线程必定是获取了锁的线程，也就是说该过程是由锁来保证线程安全的。在Object的监视器模型上，一个对象拥有一个同步队列和等待队列，而并发包中的Lock（更确切地说是同步器）拥有一个同步队列和多个等待队列，其对应关系如下图所示

等待

调用Condition的await()方法（或者以await开头的方法），会使当前线程进入等待队列并释放锁，同时线程状态变为等待状态。当从await()方法返回时，当前线程一定获取了Condition相关联的锁。如果从队列（同步队列和等待队列）的角度看await()方法，当调用await()方法时，相当于同步队列的首节点（获取了锁的节点）移动到Condition的等待队列中

public final void await() throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        // 当前线程加入等待队列
        Node node = addConditionWaiter();
        // 释放同步状态，也就是释放锁
        int savedState = fullyRelease(node);
        int interruptMode = 0;
        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)
            unlinkCancelledWaiters();
        if (interruptMode != 0)
            reportInterruptAfterWait(interruptMode);
    }

调用该方法的线程成功获取了锁的线程，也就是同步队列中的首节点，该方法会将当前线程构造成节点并加入等待队列中，然后释放同步状态，唤醒同步队列中的后继节点，然后当前线程会进入等待状态。当等待队列中的节点被唤醒，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

通知

调用Condition的signal()方法，将会唤醒在等待队列中等待时间最长的节点（首节点），在唤醒节点之前，会将节点移到同步队列中

public final void signal() {
        if (!isHeldExclusively())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        Node first = firstWaiter;
        if (first != null)
            doSignal(first);
    }

调用该方法的前置条件是当前线程必须获取了锁，可以看到signal()方法进行了isHeldExclusively()检查，也就是当前线程必须是获取了锁的线程。接着获取等待队列的首节点，将其移动到同步队列并使用LockSupport唤醒节点中的线程
节点从等待队列移动到同步队列的过程如下图所示

通过调用同步器的enq(Node node)方法，等待队列中的头节点线程安全地移动到同步队列。当节点移动到同步队列后，当前线程再使用LockSupport唤醒该节点的线程。被唤醒后的线程，将从await()方法中的while循环中退出（isOnSyncQueue(Node node)方法返回true，节点已经在同步队列中），进而调用同步器的acquireQueued()方法加入到获取同步状态的竞争中。成功获取同步状态（或者说锁）之后，被唤醒的线程将从先前调用的await()方法返回，此时该线程已经成功地获取了锁。

Condition的signalAll()方法，相当于对等待队列中的每个节点均执行一次signal()方法（注意是这个Condition对应的等待队列），效果就是将等待队列中所有节点全部移动到同步队列中，并唤醒每个节点的线程。

Java中的condition类