java并发---AQS【条件队列】

要看懂这个,必须要先看懂上一篇关于 java并发--AQS【简介】,java并发--独占锁的介绍,或者你已经有相关的知识了,否则这节肯定是看不懂的。

Condition使用

我们先来看看 Condition 的使用场景,Condition 经常可以用在生产者-消费者的场景中,请看 Doug Lea 给出的这个例子:

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import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

class ArrayBlockingQueue {
final Lock lock = new ReentrantLock();
// condition 依赖于 lock 来产生
final Condition notFull = lock.newCondition();
final Condition notEmpty = lock.newCondition();

final Object[] items = new Object[100];
int putptr, takeptr, count;

// 生产
public void put(Object x) throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
while (count == items.length)
notFull.await(); // 队列已满,等待,直到 not full 才能继续生产
items[putptr] = x;
if (++putptr == items.length) putptr = 0;
++count;
notEmpty.signal(); // 生产成功,队列已经 not empty 了,发个通知出去
} finally {
lock.unlock();
}
}

// 消费
public Object take() throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
while (count == 0)
notEmpty.await(); // 队列为空,等待,直到队列 not empty,才能继续消费
Object x = items[takeptr];
if (++takeptr == items.length) takeptr = 0;
--count;
notFull.signal(); // 被我消费掉一个,队列 not full 了,发个通知出去
return x;
} finally {
lock.unlock();
}
}
}

我们可以看到,在使用 condition 时,必须先持有相应的锁。这个和 Object 类中的方法有相似的语义,需要先持有某个对象的监视器锁才可以执行 wait(), notify() 或 notifyAll() 方法。
obj.wait(),obj.notify() 或 obj.notifyAll() 是基于对象的监视器锁的。而这里说的 Condition 是基于 ReentrantLock 实现的, ReentrantLock 是依赖于 AbstractQueuedSynchronizer 实现的。

在往下看之前,读者心里要有一个整体的概念。condition 是依赖于 ReentrantLock 的,不管是调用 await 进入等待还是 signal 唤醒,都必须获取到锁才能进行操作

AQS中Condition的实现

每个 ReentrantLock 实例可以通过调用多次 newCondition 产生多个 ConditionObject 的实例:

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final ConditionObject newCondition() {
// 实例化一个 ConditionObject
return new ConditionObject();
}

我们首先来看下我们关注的 Condition 的实现类 AbstractQueuedSynchronizer 类中的 ConditionObject

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public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = 1173984872572414699L;
// 条件队列的第一个节点
// 不要管这里的关键字 transient,是不参与序列化的意思
private transient Node firstWaiter;
// 条件队列的最后一个节点
private transient Node lastWaiter;
......

在上一篇介绍 AQS 的时候,我们有一个阻塞队列,用于保存等待获取锁的线程的队列。这里我们引入另一个概念,叫条件队列(condition queue)。

这里的阻塞队列如果叫做同步队列(sync queue)其实比较贴切,不过为了和前篇呼应,我就继续使用阻塞队列了。记住这里的两个概念,阻塞队列条件队列

aqs数据结构

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这里,我们简单回顾下 Node 的属性:

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> volatile int waitStatus; // 可取值 0、CANCELLED(1)、SIGNAL(-1)、CONDITION(-2)、PROPAGATE(-3)
> volatile Node prev;
> volatile Node next;
> volatile Thread thread;
> Node nextWaiter;
>

prev 和 next 用于实现阻塞队列的双向链表,这里的 nextWaiter 用于实现条件队列的单向链表

基本上,把这张图看懂,你也就知道 condition 的处理流程了。所以,我先简单解释下这图,然后再具体地解释代码实现。

  1. 条件队列和阻塞队列的节点,都是 Node 的实例,条件队列的节点是需要转移到阻塞队列中去的;
  2. 我们知道一个 ReentrantLock 实例可以通过多次调用 newCondition() 来产生多个 Condition 实例。注意,ConditionObject 只有两个属性 firstWaiter 和 lastWaiter;
  3. 每个 condition 有一个关联的条件队列,例如线程 1 调用 condition1.await() 方法即可将当前线程 1 包装成 Node 后加入到条件队列中,然后阻塞在这里,不继续往下执行,条件队列是一个单向链表;
  4. 调用condition1.signal() 触发一次唤醒,此时唤醒的是队头,会将condition1 对应的条件队列的 firstWaiter(队头) 移到阻塞队列的队尾,等待获取锁,获取锁后 await 方法才能返回,继续往下执行。

上面的 2->3->4 描述了一个最简单的流程,没有考虑中断、signalAll、还有带有超时参数的 await 方法等,不过把这里弄懂是这节的主要目的。

-1.线程await,signal流程图

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0. 线程进入等待状态

接下来,我们一步步按照流程来走代码分析,我们先来看看 wait 方法:

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// 首先,这个方法是可被中断的,不可被中断的是另一个方法 awaitUninterruptibly()
// 这个方法会阻塞,直到调用 signal 方法(指 signal() 和 signalAll(),下同),或被中断
public final void await() throws InterruptedException {
// 既然该方法要响应中断,那么在最开始就判断中断状态
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();

// 添加到 condition 的条件队列中
Node node = addConditionWaiter();

// 释放锁,返回值是释放锁之前的 state 值(被唤醒后会恢复state值)
int savedState = fullyRelease(node);

int interruptMode = 0;
// 这里退出循环有两种情况,之后再仔细分析
// 1. isOnSyncQueue(node) 返回 true,即当前 node 已经转移到阻塞队列了
// 2. checkInterruptWhileWaiting(node) != 0 会到 break,然后退出循环,代表的是线程中断
while (!isOnSyncQueue(node)) {
LockSupport.park(this);
if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
break;
}
// 被唤醒后,将进入阻塞队列,等待获取锁
if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
interruptMode = REINTERRUPT;
if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
unlinkCancelledWaiters();
if (interruptMode != 0)
reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}

其实,我大体上也把整个 await 过程说得十之八九了,下面我们分步把上面的几个点用源码说清楚。

1. 将节点加入到条件队列

addConditionWaiter() 是将当前节点加入到条件队列,这种条件队列内的操作是线程安全的。

将节点加入到条件队列

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// 将当前线程对应的节点入队,插入队尾
private Node addConditionWaiter() {
Node t = lastWaiter;
// 如果条件队列的最后一个节点取消了,将其清除出去
// 为什么这里把 waitStatus 不等于 Node.CONDITION,就判定为该节点发生了取消排队?取消等待的节点状态为:Node.CANCEL
if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
// 这个方法会遍历整个条件队列,然后会将已取消的所有节点清除出队列
unlinkCancelledWaiters();
t = lastWaiter;
}
// node 在初始化的时候,指定 waitStatus 为 Node.CONDITION
Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);

// t 此时是 lastWaiter,队尾
// 如果队列为空
if (t == null)
firstWaiter = node;
else
t.nextWaiter = node;
lastWaiter = node;
return node;
}

上面的这块代码很简单,就是将当前线程进入到条件队列的队尾。

在addWaiter 方法中,有一个 unlinkCancelledWaiters() 方法,该方法用于清除队列中已经取消等待的节点。

当 await 的时候如果发生了取消操作(这点之后会说),或者是在节点入队的时候,发现最后一个节点是被取消的,会调用一次这个方法。

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// 等待队列是一个单向链表,遍历链表将已经取消等待的节点清除出去
// 纯属链表操作,很好理解,看不懂多看几遍就可以了
private void unlinkCancelledWaiters() {
Node t = firstWaiter;
Node trail = null;
while (t != null) {
Node next = t.nextWaiter;
// 如果节点的状态不是 Node.CONDITION 的话,这个节点就是被取消的
if (t.waitStatus != Node.CONDITION) {
t.nextWaiter = null;
if (trail == null)
firstWaiter = next;
else
trail.nextWaiter = next;
if (next == null)
lastWaiter = trail;
}
else
trail = t;
t = next;
}
}

2. 完全释放独占锁

回到 wait 方法,节点入队了以后,会调用 int savedState = fullyRelease(node); 方法释放锁,注意,这里是完全释放独占锁(fully release),因为 ReentrantLock 是可以重入的。

考虑一下这里的 savedState。如果在 condition1.await() 之前,假设线程先执行了 2 次 lock() 操作,那么 state 为 2,我们理解为该线程持有 2 把锁,这里 await() 方法必须将 state 设置为 0,然后再进入挂起状态,这样其他线程才能持有锁。当它被唤醒的时候,它需要重新持有 2 把锁,才能继续下去。

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// 首先,我们要先观察到返回值 savedState 代表 release 之前的 state 值
// 对于最简单的操作:先 lock.lock(),然后 condition1.await()。
// 那么 state 经过这个方法由 1 变为 0,锁释放,此方法返回 1
// 相应的,如果 lock 重入了 n 次,savedState == n
// 如果这个方法失败,会将节点设置为"取消"状态,并抛出异常 IllegalMonitorStateException
final int fullyRelease(Node node) {
boolean failed = true;
try {
int savedState = getState();
// 这里使用了当前的 state 作为 release 的参数,也就是完全释放掉锁,将 state 置为 0
if (release(savedState)) {
failed = false;
return savedState;
} else {
throw new IllegalMonitorStateException();
}
} finally {
if (failed)
node.waitStatus = Node.CANCELLED;
}
}

考虑一下,如果一个线程在不持有 lock 的基础上,就去调用 condition1.await() 方法,它能进入条件队列,但是在上面的这个方法中,由于它不持有锁,release(savedState) 这个方法肯定要返回 false,进入到异常分支,然后进入 finally 块设置 node.waitStatus = Node.CANCELLED,这个已经入队的节点之后会被后继的节点”请出去“。

3. 等待进入阻塞队列

释放掉锁以后,接下来是这段,这边会自旋,如果发现自己还没到阻塞队列,那么挂起,等待被转移到阻塞队列。

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int interruptMode = 0;
// 如果不在阻塞队列中,注意了,是阻塞队列
while (!isOnSyncQueue(node)) {
// 线程挂起
LockSupport.park(this);

// 这里可以先不用看了,等看到它什么时候被 unpark 再说
if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
break;
}

isOnSyncQueue(Node node) 用于判断节点是否已经转移到阻塞队列了:

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// signal 的时候需要将节点从条件队列移到阻塞队列,这个方法就是判断 node 是否已经移动到阻塞队列了
final boolean isOnSyncQueue(Node node) {

// 移动过去的时候,node 的 waitStatus 会置为 0(这个之后在说 signal 方法的时候会说到)
// 1.如果 waitStatus 还是 Node.CONDITION,也就是 -2,那肯定就是还在条件队列中
// 2.如果 node 的前驱 prev 指向还是 null,说明肯定没有在 阻塞队列(prev是阻塞队列链表中使用的)
if (node.waitStatus == Node.CONDITION || node.prev == null)
return false;
// 如果 node 已经有后继节点 next 的时候,那肯定是在阻塞队列了
if (node.next != null)
return true;

// 下面这个方法从阻塞队列的队尾开始从后往前遍历找,如果找到相等的,说明在阻塞队列,否则就是不在阻塞队列

// 可以通过判断 node.prev() != null 来推断出 node 在阻塞队列吗?答案是:不能。
// 这个可以看 AQS 的入队方法--enq(),首先设置的是 node.prev 指向 tail,
// 然后是 CAS 操作将自己设置为新的 tail,可是这次的 CAS 是可能失败的。
return findNodeFromTail(node);
}

// 从阻塞队列的队尾往前遍历,如果找到,返回 true
private boolean findNodeFromTail(Node node) {
Node t = tail;
for (;;) {
if (t == node)
return true;
if (t == null)
return false;
t = t.prev;
}
}

回到前面的循环,isOnSyncQueue(node) 返回 false 的话,那么进到 LockSupport.park(this); 这里线程挂起。

4. signal 唤醒线程,转移到阻塞队列

为了大家理解,这里我们先看唤醒操作,因为刚刚到 LockSupport.park(this); 把线程挂起了,等待唤醒。

signal 唤醒线程,转移到阻塞队列

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// 唤醒等待了最久的线程
// 其实就是,将这个线程对应的 node 从条件队列转移到阻塞队列
public final void signal() {
// 调用 signal 方法的线程必须持有当前的独占锁
if (!isHeldExclusively())
throw new IllegalMonitorStateException();
Node first = firstWaiter;
if (first != null)
doSignal(first);
}

// 从条件队列队头往后遍历,找出第一个需要转移的 node
// 因为前面我们说过,有些线程会取消排队,但是可能还在队列中
private void doSignal(Node first) {
do {
// 将 firstWaiter 指向 first 节点后面的第一个,因为 first 节点马上要离开了
// 如果将 first 移除后,后面没有节点在等待了,那么需要将 lastWaiter 置为 null
if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
lastWaiter = null;
// 因为 first 马上要被移到阻塞队列了,和条件队列的链接关系在这里断掉
first.nextWaiter = null;
} while (!transferForSignal(first) &&
(first = firstWaiter) != null);
// 这里 while 循环,如果 first 转移不成功,那么选择 first 后面的第一个节点进行转移,依此类推
}

// 将节点从条件队列转移到阻塞队列
// true 代表成功转移
// false 代表在 signal 之前,节点已经取消了
final boolean transferForSignal(Node node) {

// CAS 如果失败,说明此 node 的 waitStatus 已不是 Node.CONDITION,说明节点已经取消,
// 既然已经取消,也就不需要转移了,方法返回,转移后面一个节点
// 否则,将 waitStatus 置为 0
if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
return false;

// enq(node): 自旋进入阻塞队列的队尾
// 注意,这里的返回值 p 是 node 在阻塞队列的前驱节点
Node p = enq(node);
int ws = p.waitStatus;
// ws > 0 说明 node 在阻塞队列中的前驱节点取消了等待锁,直接唤醒 node 对应的线程。唤醒之后会怎么样,后面再解释
// 如果 ws <= 0, 那么 compareAndSetWaitStatus 将会被调用,上篇介绍的时候说过,节点入队后,需要把前驱节点的状态设为 Node.SIGNAL(-1)
if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
// 如果前驱节点取消或者 CAS 失败,会进到这里唤醒线程,之后的操作看下一节
LockSupport.unpark(node.thread);
return true;
}

正常情况下,ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL) 这句中,ws <= 0,而且 compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL) 会返回 true,所以一般也不会进去 if 语句块中唤醒 node 对应的线程。然后这个方法返回 true,也就意味着 signal 方法结束了,节点进入了阻塞队列。

假设发生了阻塞队列中的前驱节点取消等待,或者 CAS 失败,只要唤醒线程,让其进到下一步即可。

5. 唤醒后检查中断状态

上一步 signal 之后,我们的线程由条件队列转移到了阻塞队列,之后就准备获取锁了。只要重新获取到锁了以后,继续往下执行。

等线程从挂起中恢复过来,继续往下看

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int interruptMode = 0;
while (!isOnSyncQueue(node)) {
// 线程挂起
LockSupport.park(this);

if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
break;
}

先解释下 interruptMode。interruptMode 可以取值为 REINTERRUPT(1),THROW_IE(-1),0

  • REINTERRUPT: 代表 await 返回的时候,需要重新设置中断状态
  • THROW_IE: 代表 await 返回的时候,需要抛出 InterruptedException 异常
  • 0 :说明在 await 期间,没有发生中断

有以下三种情况会unpark,让 LockSupport.park(this);这句返回:

  1. 常规路径。lock->signal ->转移节点到阻塞队列 -> unlock(release->unparkSuccessor->unpark,在unlock的时候会唤醒被park的线程)
  2. 线程中断。在 park 的时候,另外一个线程对这个线程进行了中断
  3. signal 的时候我们说过,转移以后的前驱节点取消了,或者对前驱节点的CAS操作失败了
  4. 假唤醒。这个也是存在的,和 Object.wait() 类似,都有这个问题

线程唤醒后第一步是调用 checkInterruptWhileWaiting(node) 这个方法,此方法用于判断是否在线程挂起期间发生了中断,如果发生了中断,是 signal 调用之前中断的,还是 signal 之后发生的中断。

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// 1. 如果在 signal 之前已经中断,返回 THROW_IE
// 2. 如果是 signal 之后中断,返回 REINTERRUPT
// 3. 没有发生中断,返回 0
private int checkInterruptWhileWaiting(Node node) {
return Thread.interrupted() ?
(transferAfterCancelledWait(node) ? THROW_IE : REINTERRUPT) :
0;
}

Thread.interrupted():如果当前线程已经处于中断状态,那么该方法返回 true,同时将中断状态重置为 false,所以,才有后续的 重新中断(REINTERRUPT) 的使用。

看看怎么判断是 signal 之前还是之后发生的中断:

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// 只有线程处于中断状态,才会调用此方法
// 如果需要的话,将这个已经取消等待的节点转移到阻塞队列
// 返回 true:如果此线程在 signal 之前被取消,
final boolean transferAfterCancelledWait(Node node) {
// 用 CAS 将节点状态设置为 0
// 如果这步 CAS 成功,说明是 signal 方法之前发生的中断,因为如果 signal 先发生的话,signal 中会将 waitStatus 设置为 0
if (compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0)) {
// 将节点放入阻塞队列
// 这里我们看到,即使中断了,依然会转移到阻塞队列
enq(node);
return true;
}

// 到这里是因为 CAS 失败,肯定是因为 signal 方法已经将 waitStatus 设置为了 0
// signal 方法会将节点转移到阻塞队列,但是可能还没完成,这边自旋等待其完成
// 当然,这种事情还是比较少的吧:signal 调用之后,没完成转移之前,发生了中断
while (!isOnSyncQueue(node))
Thread.yield();
return false;
}

这里再说一遍,即使发生了中断,节点依然会转移到阻塞队列。

到这里,大家应该都知道这个 while 循环怎么退出了吧。要么中断,要么转移成功。

这里描绘了一个场景,本来有个线程,它是排在条件队列的后面的,但是因为它被中断了,那么它会被唤醒,然后它发现自己不是被 signal 的那个,但是它会自己主动去进入到阻塞队列。

6. 获取独占锁

while 循环出来以后,下面是这段代码:

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if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
interruptMode = REINTERRUPT;

由于 while 出来后,我们确定节点已经进入了阻塞队列,准备获取锁。

这里的 acquireQueued(node, savedState) 的第一个参数 node 之前已经经过 enq(node) 进入了队列,参数 savedState 是之前释放锁前的 state,这个方法返回的时候,代表当前线程获取了锁,而且 state == savedState了。

注意,前面我们说过,不管有没有发生中断,都会进入到阻塞队列,而 acquireQueued(node, savedState) 的返回值就是代表线程是否被中断。如果返回 true,说明被中断了,而且 interruptMode != THROW_IE,说明在 signal 之前就发生中断了,这里将 interruptMode 设置为 REINTERRUPT,用于待会重新中断。

继续往下:

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if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
unlinkCancelledWaiters();
if (interruptMode != 0)
reportInterruptAfterWait(interruptMode);

本着一丝不苟的精神,这边说说 node.nextWaiter != null 怎么满足。我前面也说了 signal 的时候会将节点转移到阻塞队列,有一步是 node.nextWaiter = null,将断开节点和条件队列的联系。

可是,在判断发生中断的情况下,是 signal 之前还是之后发生的? 这部分的时候,我也介绍了,如果 signal 之前就中断了,也需要将节点进行转移到阻塞队列,这部分转移的时候,是没有设置 node.nextWaiter = null 的。

之前我们说过,如果有节点取消,也会调用 unlinkCancelledWaiters 这个方法,就是这里了。

7. 处理中断状态

到这里,我们终于可以好好说下这个 interruptMode 干嘛用了。

  • 0:什么都不做,没有被中断过;
  • THROW_IE:await 方法抛出 InterruptedException 异常,因为它代表在 await() 期间发生了中断;
  • REINTERRUPT:重新中断当前线程,因为它代表 await() 期间没有被中断,而是 signal() 以后发生的中断
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private void reportInterruptAfterWait(int interruptMode)
throws InterruptedException {
if (interruptMode == THROW_IE)
throw new InterruptedException();
else if (interruptMode == REINTERRUPT)
selfInterrupt();
}

这个中断状态这部分内容,大家应该都理解了吧,不理解的话,多看几遍就是了。

* 带超时机制的 await

经过前面的 7 步,整个 ConditionObject 类基本上都分析完了,接下来简单分析下带超时机制的 await 方法。

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public final long awaitNanos(long nanosTimeout) 
throws InterruptedException
public final boolean awaitUntil(Date deadline)
throws InterruptedException
public final boolean await(long time, TimeUnit unit)
throws InterruptedException

这三个方法都差不多,我们就挑一个出来看看吧:

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public final boolean await(long time, TimeUnit unit)
throws InterruptedException {
// 等待这么多纳秒
long nanosTimeout = unit.toNanos(time);
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
Node node = addConditionWaiter();
int savedState = fullyRelease(node);
// 当前时间 + 等待时长 = 过期时间
final long deadline = System.nanoTime() + nanosTimeout;
// 用于返回 await 是否超时
boolean timedout = false;
int interruptMode = 0;
while (!isOnSyncQueue(node)) {
// 时间到啦
if (nanosTimeout <= 0L) {
// 这里因为要 break 取消等待了。取消等待的话一定要调用 transferAfterCancelledWait(node) 这个方法
// 如果这个方法返回 true,在这个方法内,将节点转移到阻塞队列成功
// 返回 false 的话,说明 signal 已经发生,signal 方法将节点转移了。也就是说没有超时嘛
timedout = transferAfterCancelledWait(node);
break;
}
// 常量spinForTimeoutThreshold 的值是 1000 纳秒,也就是 1 毫秒
// 也就是说,如果不到 1 毫秒了,那就不要选择 parkNanos 了,自旋的性能反而更好
if (nanosTimeout >= spinForTimeoutThreshold)
LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
break;
// 得到剩余时间
nanosTimeout = deadline - System.nanoTime();
}
if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
interruptMode = REINTERRUPT;
if (node.nextWaiter != null)
unlinkCancelledWaiters();
if (interruptMode != 0)
reportInterruptAfterWait(interruptMode);
return !timedout;
}

超时的思路还是很简单的,不带超时参数的 await 是 park,然后等待别人唤醒。而现在就是调用 parkNanos 方法来休眠指定的时间,醒来后判断是否 signal 调用了,调用了就是没有超时,否则就是超时了。超时的话,自己来进行转移到阻塞队列,然后抢锁。

* 不抛出 InterruptedException 的 await

关于 Condition 最后一小节了。

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public final void awaitUninterruptibly() {
Node node = addConditionWaiter();
int savedState = fullyRelease(node);
boolean interrupted = false;
while (!isOnSyncQueue(node)) {
LockSupport.park(this);
if (Thread.interrupted())
interrupted = true;
}
if (acquireQueued(node, savedState) || interrupted)
selfInterrupt();
}

很简单,贴一下代码大家就都懂了,我就不废话了。

参考