《深入浅出 Java Concurrency》—锁机制(四) 锁释放与条件变量 (Lock.unlock And Condition)
转自：http://www.blogjava.net/xylz/archive/2010/07/08/325540.html
本小节介绍锁释放Lock.unlock()。
Release/TryRelease
unlock操作实际上就调用了AQS 的release操作，释放持有的锁。
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
前面提到过tryRelease(arg) 操作，此操作里面总是尝试去释放锁，如果成功，说明锁确实被当前线程持有，那么就看AQS 队列中的头结点是否为空并且能否被唤醒，如果可以的话就唤醒继任节点（下一个非CANCELLED节点，下面会具体分析）。
对于独占锁而言，java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.Sync.tryRelease(int)展示了如何尝试释放锁(tryRelease )操作。
protected final boolean tryRelease(int releases) {
int c = getState() - releases;
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
if (c == 0) {
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
}
setState(c);
return free;
}
整个tryRelease 操作是这样的：
-
- 判断持有锁的线程是否是当前线程，如果不是就抛出IllegalMonitorStateExeception()，因为一个线程是不能释放另一个线程持有的锁（否则锁就失去了意义）。否则进行2。
- 将AQS状态位减少要释放的次数（对于独占锁而言总是1），如果剩余的状态位0（也就是没有线程持有锁），那么当前线程就是最后一个持有锁的线程，清空AQS持有锁的独占线程。进行3。
- 将剩余的状态位写回AQS，如果没有线程持有锁就返回true，否则就是false。
参考上一节的分析就可以知道，这里c==0决定了是否完全释放了锁。由于ReentrantLock 是可重入锁，因此同一个线程可能多重持有锁，那么当且仅当最后一个持有锁的线程释放锁是才能将AQS中持有锁的独占线程清空，这样接下来的操作才需要唤醒下一个需要锁的AQS 节点（Node），否则就只是减少锁持有的计数器，并不能改变其他操作。
当tryRelease 操作成功后（也就是完全释放了锁），release操作才能检查是否需要唤醒下一个继任节点。这里的前提是AQS 队列的头结点需要锁(waitStatus!=0 )，如果头结点需要锁，就开始检测下一个继任节点是否需要锁操作。
在上一节中说道acquireQueued 操作完成后（拿到了锁），会将当前持有锁的节点设为头结点，所以一旦头结点释放锁，那么就需要寻找头结点的下一个需要锁的继任节点，并唤醒它。
private void unparkSuccessor(Node node) {
//此时node是需要是需要释放锁的头结点//清空头结点的waitStatus，也就是不再需要锁了
compareAndSetWaitStatus(node, Node.SIGNAL, 0);//从头结点的下一个节点开始寻找继任节点，当且仅当继任节点的waitStatus<=0才是有效继任节点，否则将这些waitStatus>0（也就是CANCELLED的节点）从AQS队列中剔除
Node s = node.next;
if (s == null || s.waitStatus > 0) {
s = null;
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}//如果找到一个有效的继任节点，就唤醒此节点线程
if (s != null)
LockSupport.unpark(s.thread);
}
这里再一次把acquireQueued 的过程找出来。对比unparkSuccessor ，一旦头节点的继任节点被唤醒，那么继任节点就会尝试去获取锁（在acquireQueued 中node就是有效的继任节点，p就是唤醒它的头结点），如果成功就会将头结点设置为自身，并且将头结点的前任节点清空，这样前任节点（已经过时了）就可以被GC释放了。
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
return interrupted;
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} catch (RuntimeException ex) {
cancelAcquire(node);
throw ex;
}
}
在setHead 中，将头结点的前任节点清空并且将头结点的线程清空就是为了更好的GC，防止内存泄露。
private void setHead(Node node) {
head = node;
node.thread = null;
node.prev = null;
}
对比lock()操作，unlock()操作还是比较简单的，主要就是释放响应的资源，并且唤醒AQS 队列中有效的继任节点。这样所就按照请求的顺序去尝试获取锁了。
整个lock()/unlock()过程完成了，我们再回头看公平锁(FairSync)和非公平锁(NonfairSync)。
公平锁和非公平锁只是在获取锁的时候有差别，其它都是一样的。
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}
在上面非公平锁的代码中总是优先尝试当前是否有线程持有锁，一旦没有任何线程持有锁，那么非公平锁就霸道的尝试将锁“占为己有”。如果在抢占锁的时候失败就和公平锁一样老老实实的去排队。
也即是说公平锁和非公平锁只是在入AQS 的CLH 队列之前有所差别，一旦进入了队列，所有线程都是按照队列中先来后到的顺序请求锁。
Condition
条件变量很大一个程度上是为了解决Object.wait/notify/notifyAll难以使用的问题。
条件（也称为条件队列 或条件变量 ）为线程提供了一个含义，以便在某个状态条件现在可能为 true 的另一个线程通知它之前，一直挂起该线程（即让其“等待”）。因为访问此共享状态信息发生在不同的线程中，所以它必须受保护，因此要将某种形式的锁与该条件相关联。等待提供一个条件的主要属性是：以原子方式 释放相关的锁，并挂起当前线程，就像 Object.wait 做的那样。
上述API说明表明条件变量需要与锁绑定，而且多个Condition需要绑定到同一锁上。前面的Lock 中提到，获取一个条件变量的方法是Lock.newCondition() 。
void await() throws InterruptedException;
void awaitUninterruptibly();
long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;
boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;
void signal();
void signalAll();
以上是Condition 接口定义的方法，await* 对应于Object.wait ，signal 对应于Object.notify ，signalAll 对应于Object.notifyAll 。特别说明的是Condition 的接口改变名称就是为了避免与Object中的wait/notify/notifyAll 的语义和使用上混淆，因为Condition同样有wait/notify/notifyAll 方法。
每一个Lock 可以有任意数据的Condition 对象，Condition 是与Lock 绑定的，所以就有Lock 的公平性特性：如果是公平锁，线程为按照FIFO的顺序从Condition.await 中释放，如果是非公平锁，那么后续的锁竞争就不保证FIFO顺序了。
一个使用Condition实现生产者消费者的模型例子如下。
package xylz.study.concurrency.lock;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class ProductQueue<T> {
private final T[] items;
private final Lock lock = new ReentrantLock();
private Condition notFull = lock.newCondition();
private Condition notEmpty = lock.newCondition();
//
private int head, tail, count;public ProductQueue(int maxSize) {
items = (T[]) new Object[maxSize];
}public ProductQueue() {
this(10);
}public void put(T t) throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
while (count == getCapacity()) {
notFull.await();
}
items[tail] = t;
if (++tail == getCapacity()) {
tail = 0;
}
++count;
notEmpty.signalAll();
} finally {
lock.unlock();
}
}public T take() throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
while (count == 0) {
notEmpty.await();
}
T ret = items[head];
items[head] = null;//GC
//
if (++head == getCapacity()) {
head = 0;
}
--count;
notFull.signalAll();
return ret;
} finally {
lock.unlock();
}
}public int getCapacity() {
return items.length;
}public int size() {
lock.lock();
try {
return count;
} finally {
lock.unlock();
}
}}
在这个例子中消费take() 需要 队列不为空，如果为空就挂起（await() ），直到收到notEmpty 的信号；生产put() 需要队列不满，如果满了就挂起（await() ），直到收到notFull 的信号。
可能有人会问题，如果一个线程lock() 对象后被挂起还没有unlock ，那么另外一个线程就拿不到锁了（lock() 操作会挂起），那么就无法通知(notify )前一个线程，这样岂不是“死锁”了？
await* 操作
上一节中说过多次ReentrantLock 是独占锁，一个线程拿到锁后如果不释放，那么另外一个线程肯定是拿不到锁，所以在lock.lock() 和lock.unlock() 之间可能有一次释放锁的操作（同样也必然还有一次获取锁的操作）。我们再回头看代码，不管take() 还是put() ，在进入lock.lock() 后唯一可能释放锁的操作就是await() 了。也就是说await() 操作实际上就是释放锁，然后挂起线程，一旦条件满足就被唤醒，再次获取锁！
public final void await() throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
Node node = addConditionWaiter();
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);
}
上面是await() 的代码片段。上一节中说过，AQS 在获取锁的时候需要有一个CHL 的FIFO队列，所以对于一个Condition.await() 而言，如果释放了锁，要想再一次获取锁那么就需要进入队列，等待被通知获取锁。完整的await()操作是安装如下步骤进行的：
-
- 将当前线程加入Condition 锁队列。特别说明的是，这里不同于AQS 的队列，这里进入的是Condition 的FIFO队列。后面会具体谈到此结构。进行2。
- 释放锁。这里可以看到将锁释放了，否则别的线程就无法拿到锁而发生死锁。进行3。
- 自旋(while)挂起，直到被唤醒或者超时或者CACELLED等。进行4。
- 获取锁(acquireQueued )。并将自己从Condition 的FIFO队列中释放，表明自己不再需要锁（我已经拿到锁了）。
这里再回头介绍Condition 的数据结构。我们知道一个Condition 可以在多个地方被await*() ，那么就需要一个FIFO的结构将这些Condition 串联起来，然后根据需要唤醒一个或者多个（通常是所有）。所以在Condition 内部就需要一个FIFO的队列。
private transient Node firstWaiter;
private transient Node lastWaiter;
上面的两个节点就是描述一个FIFO的队列。我们再结合前面 提到的节点（Node）数据结构 。我们就发现Node.nextWaiter 就派上用场了！nextWaiter 就是将一系列的Condition.await* 串联起来组成一个FIFO的队列。
signal/signalAll 操作
await*() 清楚了，现在再来看signal/signalAll 就容易多了。按照signal/signalAll 的需求，就是要将Condition.await*() 中FIFO队列中第一个Node 唤醒（或者全部Node ）唤醒。尽管所有Node 可能都被唤醒，但是要知道的是仍然只有一个线程能够拿到锁，其它没有拿到锁的线程仍然需要自旋等待，就上上面提到的第4步(acquireQueued)。
private void doSignal(Node first) {
do {
if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
lastWaiter = null;
first.nextWaiter = null;
} while (!transferForSignal(first) &&
(first = firstWaiter) != null);
}private void doSignalAll(Node first) {
lastWaiter = firstWaiter = null;
do {
Node next = first.nextWaiter;
first.nextWaiter = null;
transferForSignal(first);
first = next;
} while (first != null);
}
上面的代码很容易看出来，signal 就是唤醒Condition 队列中的第一个非CANCELLED节点线程，而signalAll就是唤醒所有非CANCELLED节点线程。当然了遇到CANCELLED线程就需要将其从FIFO队列中剔除。
final boolean transferForSignal(Node node) {
if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
return false;Node p = enq(node);
int c = p.waitStatus;
if (c > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, c, Node.SIGNAL))
LockSupport.unpark(node.thread);
return true;
}
上面就是唤醒一个await*() 线程的过程，根据前面的小节介绍的，如果要unpark 线程，并使线程拿到锁，那么就需要线程节点进入AQS 的队列。所以可以看到在LockSupport.unpark 之前调用了enq(node) 操作，将当前节点加入到AQS 队列。
整个锁机制的原理就介绍完了，从下一节开始就进入了锁机制的应用了。