Java AbstractQueuedSynchronizer源碼閱讀4-ConditionObject

AbstractQueuedSynchronizer為鎖機制維護了一個隊列,需要獲取鎖的線程們排在隊列中,只有排在隊首的線程才有資格獲取鎖。
ConditionObject是AbstractQueuedSynchronizer的內部類,它為鎖機制維護了另一個隊列,如果線程排在了該隊列中,說明這個線程需要在某種條件滿足后,才被喚醒。

前一個隊列是用于鎖的爭用的,稱之為syn queue。后一個隊列是用于條件等待的,稱之為condition queue。這兩個隊列之間是這樣協(xié)作的:當線程拿到鎖后,發(fā)現條件未滿足,便釋放鎖并掛到condition queue中去;當條件滿足后,線程會被喚醒,并掛到syn queue中去重新獲取鎖。具體的應用場景可見Java--Lock&Condition的理解中提到的生產者和消費者模型。

本文主要是對ConditionObject的實現做簡單的介紹。

Condition queue

ConditionObject主要是維護了一個condition queue,代碼如下所示
<pre>
public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
//First node of condition queue.
private transient Node firstWaiter;
//Last node of condition queue.
private transient Node lastWaiter;
......
}
</pre>

condition queue也是一個Node隊列,這和syn queue同樣,不過syn queue是通過Node的prev和next指針形成的雙向隊列,而condition queue則是通過Node的nextWaiter形成的單向隊列。ConditionObject僅是記錄了condition queue的隊首和隊尾。

下面結合代碼簡述一下ConditionObject中幾個方法。

awaitUninterruptibly()

該方法就是當前線程要在某個條件上等待,要加入condition queue了。
步驟:

  1. 掛入condition queue;
  2. 釋放鎖;
  3. 掛起線程;
  4. 線程喚醒后重新嘗試獲取鎖。

代碼及注釋如下。
<pre>
public final void awaitUninterruptibly() {
Node node = addConditionWaiter();//將當前線程掛入condition queue
int savedState = fullyRelease(node);//釋放鎖
boolean interrupted = false;
while (!isOnSyncQueue(node)) {//線程是不是在syn queue里
LockSupport.park(this);//掛起當前線程
if (Thread.interrupted())
interrupted = true;
}
if (acquireQueued(node, savedState) || interrupted) //被喚醒后則重新開始嘗試獲取鎖
selfInterrupt();
}
</pre>

這里面有個while,用來判斷線程是不是在syn queue里。針對這個循環(huán)可做兩點說明:

  1. node由addConditionWaiter()返回,是一個waitStatus=Node.CONDITION的node,所以,第一次執(zhí)行判斷時,必入循環(huán),當前線程被掛起;
  2. 線程被喚醒,從掛起處繼續(xù)執(zhí)行,此時,會繼續(xù)執(zhí)行while內的判斷。直到確認當前線程已經在syn queue隊列上,才會嘗試獲取鎖。那么,node又是被誰放到syn queue中的呢?是和await()方法對應的signal()方法。

其中
addConditionWaiter()是ConditionObject的私有方法
fullyRelease()和isOnSyncQueue()是AbstractQueuedSynchronizer為Conditions實現的方法。

addConditionWaiter()
將當前線程掛入condition queue,代碼及注釋如下。
<pre>
private Node addConditionWaiter() {
Node t = lastWaiter;
//如果隊尾已經被cancel了,就清理一次condition queue,將所有的cancelled node出隊
// If lastWaiter is cancelled, clean out.
if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
unlinkCancelledWaiters();
t = lastWaiter;
}

//新建node,關聯到當前線程,并加入condition queue
Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
if (t == null)
    firstWaiter = node;
else
    t.nextWaiter = node;
lastWaiter = node;
return node;

}
</pre>

該方法分為兩步。因為Node是從隊尾加入condition queue的,所以第一步是判斷condition queue的隊尾是否已經被cancel了,如果是,就調用unlinkCancelledWaiters()從隊頭開始將所有的cancelled node都出隊。清理完cancelled node后,隊尾就是有效的node了,此時,新建一個關聯到當前線程的node,將該node添加到隊列中,并設置為新的隊尾。

unlinkCancelledWaiters()
清除隊列中所有的cancelled node。
<pre>
private void unlinkCancelledWaiters() {
Node t = firstWaiter;//當前節(jié)點(就好比for循環(huán)中的i)
Node trail = null;//記錄當前節(jié)點前面最近的一個有效節(jié)點(未被取消的節(jié)點)
while (t != null) {
Node next = t.nextWaiter;
if (t.waitStatus != Node.CONDITION) {//如果當前節(jié)點被取消了,就將當前節(jié)點出隊
t.nextWaiter = null;
if (trail == null)//如果tiral為空,說明當前節(jié)點前面沒有有效節(jié)點,而當前節(jié)點又被取消了
//說明從當前節(jié)點往前的所有節(jié)點都被取消了,隊首自然要往后更新
firstWaiter = next;
else
trail.nextWaiter = next;
if (next == null)
lastWaiter = trail;
}
else
trail = t;//沒有取消,則更新所謂“最近的有效節(jié)點”
t = next;//當前節(jié)點更新為下一個(就好比for循環(huán)中的++i)
}
}
</pre>

signal()

喚醒condition queue的隊首,主要的代碼其實就是對doSignal()的調用。

doSignal()
喚醒隊首,代碼及注釋如下。
<pre>
private void doSignal(Node first) {
do {
if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)//隊首的nextWaiter是不是指向空(也即隊列里是不是只有一個node,即隊首)
//這一步同時更新了隊首,相當于將原先的隊首出隊了
lastWaiter = null;
first.nextWaiter = null;
} while (!transferForSignal(first) &&//將隊首遷移到syn queue
(first = firstWaiter) != null);//如果遷移失敗了,說明原先的隊首被取消了,嘗試處理更新后的隊首
} //如果更新后的隊首為空,說明隊列已經被清空了,就無需再處理了
</pre>

doSignal()在源碼中有這么一句注釋"Split out from signal in part to encourage compilers to inline the case of no waiters".這句話的含義如下:
這里單獨實現doSignal()接口的意義在于,使得signal()的代碼看起來十分簡單,不會直接包括循環(huán)體,編譯器在編譯的時候,將更傾向于將signal()當做inline function。這樣,在沒有任何waiters(即condition queue為空,也即firstWaiter == null)的情況下, signal()作為inline function,性能將得到更明顯的提升。

transferForSignal()
將node從condition queue遷移到syn queue。
代碼及注釋如下。
<pre>
final boolean transferForSignal(Node node) {

if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))//如果node被取消了,就無需再進行什么遷移操作了
    return false;//遷移失敗,返回后doSignal()會去處理下一個node

Node p = enq(node);//將node加入syn queue
int ws = p.waitStatus;
if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))//嘗試喚醒node關聯的線程
                                                           //沒喚醒也沒關系,已經加入syn queue了,總會被syn queue前面的node喚醒的
    LockSupport.unpark(node.thread);
return true;

}
</pre>

ConditionObject的方法介紹就到這里了,下面是對CAS和inline function的一些解釋。

對condition queue的操作未用任何CAS操作?

比如說addConditionWaiter()和singal()方法在修改隊首和隊尾,或是在修改nextWaiter指針時,都未使用任何CAS操作。這是因為,一個線程如果正在調用ConditionObject的方法的話,說明它一定獲得了ConditionObject所隸屬的鎖。此時,能夠保證一次性只有一個線程正在修改該鎖對應的condition queue。
在上文解釋的代碼中,只有transferForSignal()使用到了CAS方法。因為該方法是想要改變其他線程的狀態(tài),而其他線程的狀態(tài)還可能因為其他原因改變,所以其中使用了CAS方法。

inline function

inline function提升性能之處在于,編譯器在編譯的時候,會將代碼整個替換到函數調用所在位置,省去了函數調用的耗時。
函數調用的耗時我倒是知道些,調用時需要保存現場信息,開辟新的堆棧,返回時還要恢復現場信息。
但是,為何只有簡短的函數適合內聯呢?這是因為內聯增大了代碼的體積。代碼在執(zhí)行的時候是要被加載到內存的。若函數A采取調用的方式,不論被引用了多少次,代碼本身就只占一份A的內存空間。若A采取內聯的方式,若被引用了兩次,代碼本身就要占兩份的內存空間。一旦A被更多的地方引用,代碼占用的內存就會顯著增大,從而影響到運行時的性能。
這里有篇針對inline function的問答,感覺挺好:
http://www.learncpp.com/cpp-tutorial/75-inline-functions/
為防止鏈接失效,特截圖一張吧。

inline function
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