JUC并发编程之AQS条件队列源码深度解析

2023-12-03 06:03:57

AQS 条件队列：深入解析线程通信和同步的利器

前言

在多线程编程的世界中，协调线程之间的协作和同步至关重要。Java 并发编程库（JUC）提供了一套丰富的工具来实现这一目标，其中 AbstractQueuedSynchronizer（AQS）条件队列脱颖而出，成为实现线程通信的利器。本文将深入剖析 AQS 条件队列的内部机制，揭示其在解决线程并发问题中的原理和应用。

AQS 条件队列概述

AQS 条件队列是一种基于 AQS 框架的线程同步机制，它允许线程在满足特定条件时进行等待或唤醒。AQS 条件队列包含两种类型的组件：

Condition： 表示特定条件的对象，用于线程等待。
Condition 队列： 存储等待线程的队列，当条件满足时唤醒这些线程。

AQS 条件队列使用先进先出（FIFO）策略来管理等待的线程。当线程等待条件时，它将被添加到条件队列的末尾。当条件满足时，条件队列将从头部唤醒等待的线程。

AQS 条件队列源码剖析

AQS 条件队列的源码位于 java.util.concurrent.locks 包中，主要由以下类组成：

AbstractQueuedSynchronizer： 提供 AQS 的基本框架和同步机制。
Condition： 表示特定条件的对象，用于线程等待。
ConditionQueue： 存储等待线程的队列。

Condition 类

Condition 类提供了以下核心方法：

await()： 使当前线程等待条件满足。
awaitUninterruptibly()： 使当前线程不可中断地等待条件满足。
signal()： 唤醒一个等待的线程。
signalAll()： 唤醒所有等待的线程。

Condition 类内部使用一个 volatile 类型的变量 conditionWaitersCount 来记录等待的线程数量。当线程调用 await() 方法时，它会将自己添加到条件队列中，并增加 conditionWaitersCount 变量的值。当线程调用 signal() 或 signalAll() 方法时，它会减少 conditionWaitersCount 变量的值，并唤醒等待的线程。

ConditionQueue 类

ConditionQueue 类是一个双向链表，用于存储等待的线程。它提供了以下核心方法：

addWaiter(Node node)： 将一个节点添加到队列尾部。
removeWaiter(Node node)： 从队列中删除一个节点。
getFirstWaiter()： 获取队列头部的节点。
getLastWaiter()： 获取队列尾部的节点。

ConditionQueue 类使用两个 volatile 类型的变量 head 和 tail 来记录队列头部的节点和队列尾部的节点。当线程调用 await() 方法时，它会创建一个节点并将其添加到队列尾部。当线程调用 signal() 或 signalAll() 方法时，它会从队列头部唤醒等待的线程。

AQS 条件队列使用示例

以下是一个使用 AQS 条件队列实现线程通信的示例：

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

public class AQSConditionExample {

    private final AQSConditionLock lock = new AQSConditionLock();
    private final Condition condition = lock.newCondition();

    private int value = 0;

    public void increment() {
        lock.lock();
        try {
            while (value >= 10) {
                condition.await();
            }
            value++;
            condition.signal();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void decrement() {
        lock.lock();
        try {
            while (value <= 0) {
                condition.await();
            }
            value--;
            condition.signal();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        AQSConditionExample example = new AQSConditionExample();

        Thread incrementThread = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
                example.increment();
            }
        });

        Thread decrementThread = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
                example.decrement();
            }
        });

        incrementThread.start();
        decrementThread.start();

        try {
            incrementThread.join();
            decrementThread.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("Final value: " + example.value);
    }

}

class AQSConditionLock extends AbstractQueuedSynchronizer {

    public Condition newCondition() {
        return new ConditionObject();
    }

    private class ConditionObject implements Condition {

        @Override
        public void await() throws InterruptedException {
            if (Thread.interrupted()) {
                throw new InterruptedException();
            }

            Node node = new Node(Thread.currentThread(), AQSConditionLock.this);
            addWaiter(node);

            AQSConditionLock.this.release(1);

            for (;;) {
                Node p = node.predecessor;
                if (p == head && head != tail) {
                    node.thread = null;
                    node.next = null;
                    AQSConditionLock.this.acquire(1);
                    return;
                }
                if (node.thread != null) {
                    parkAndCheckInterrupt();
                }
            }
        }

        @Override
        public void awaitUninterruptibly() {
            Node node = new Node(Thread.currentThread(), AQSConditionLock.this);
            addWaiter(node);

            AQSConditionLock.this.release(1);

            for (;;) {
                Node p = node.predecessor;
                if (p == head && head != tail) {
                    node.thread = null;
                    node.next = null;
                    AQSConditionLock.this.acquire(1);
                    return;
                }
                park();
            }
        }

        @Override
        public void signal() {
            if (!isHeldExclusively()) {
                throw new IllegalMonitorStateException();
            }

            Node p = head;
            if (p != null) {
                do {
                    Node next = p.next;
                    if (next != null) {
                        p.next = p.next.next;
                        next.prev = p.prev;
                        next.thread = null;
                        next.next = null;
                        AQSConditionLock.this.unparkSuccessor(p);
                    }
                    p = next;
                } while (p != null && p.thread != null);
            }
        }

        @Override
        public void signalAll() {
            if (!isHeldExclusively()) {
                throw new IllegalMonitorStateException();
            }

            Node p = head;
            while (p != null) {
                Node next = p.next;
                p.thread = null;
                p.next = p.next.next;
                next.prev = p.prev;
                next.next = null;
                AQSConditionLock.this.unparkSuccessor(p);
                p = next;
            }
        }

    }

}

在这个示例中，我们创建了一个 AQSConditionLock 对象，它包含了一个 Condition 对象 condition。我们还创建了两个线程，incrementThread 和 decrementThread，分别用于对 value 进行加减操作。当 value 大于等于 10 时，incrementThread 将调用 condition.await() 方法等待，直到 value 小于 10 时再继续执行。当 value 小于等于 0 时，decrementThread 将调用 condition.await() 方法等待，直到 value 大于 0 时再继续执行。

通过使用 AQS 条件队列，我们可以实现线程之间的协调与同步，避免线程出现竞争和死锁的情况。

结论

AQS 条件队列是 JUC 并发编程库中的一个强大工具，它使我们能够在多线程环境中实现高效的线程通信和同步。通过理解 AQS 条件队列的内部机制和使用方式，我们可以有效地解决复杂的多线程并发问题，提升程序的性能和可靠性。

常见问题解答