Java并发Condition 详解

1.引言

在Java并发编程中，线程间的协作是一个核心话题。为了实现线程间的协作，Java提供了多种机制，其中等待/通知机制是最常见的一种。在早期版本中，我们通过Object类提供的wait、notify和notifyAll方法来实现这种机制。然而，这些方法在使用上存在一些局限性，比如无法支持多个等待条件、唤醒操作不够灵活等。为了克服这些问题，Java在java.util.concurrent.locks包中引入了Condition接口。

Condition接口提供了一组更为灵活和强大的等待/通知方法，它可以与ReentrantLock等锁配合使用，实现更为复杂的线程同步场景。本文将详细介绍Condition的使用方法、与Object监视器方法的比较、高级特性以及最佳实践，帮助读者更好地理解和应用这一并发编程利器。

2.Condition的基本使用

在使用Condition之前，我们需要先获取一个Condition对象。通常，Condition对象是通过锁对象获取的。在Java中，ReentrantLock类提供了newCondition方法来创建Condition对象。

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
Condition condition = lock.newCondition();

获取到Condition对象后，我们就可以使用它提供的等待和通知方法了。Condition接口中定义了以下几个主要方法：

await(): 使当前线程等待，直到被其他线程唤醒或中断。
signal(): 唤醒在此Condition对象上等待的一个线程。
signalAll(): 唤醒在此Condition对象上等待的所有线程。

这些方法的使用方式与Object类的wait、notify和notifyAll方法类似，但提供了更多的灵活性和控制力。

下面，我们通过一个经典的生产者-消费者问题来演示Condition的基本用法。在这个问题中，生产者和消费者共享一个有限容量的缓冲区，生产者负责生产数据并放入缓冲区，消费者负责从缓冲区取出数据并消费。

class BoundedBuffer {final Lock lock = new ReentrantLock();final Condition notFull = lock.newCondition();final Condition notEmpty = lock.newCondition();final Object[] items;int putptr, takeptr, count;public BoundedBuffer(int capacity) {this.items = new Object[capacity];}// 生产者方法：放入数据public void put(Object item) throws InterruptedException {lock.lock();try {while (count == items.length) {// 缓冲区满，等待消费者消费notFull.await();}items[putptr] = item;if (++putptr == items.length) putptr = 0;++count;// 唤醒等待取数据的消费者notEmpty.signal();} finally {lock.unlock();}}// 消费者方法：取出数据public Object take() throws InterruptedException {lock.lock();try {while (count == 0) {// 缓冲区空，等待生产者生产notEmpty.await();}Object item = items[takeptr];if (++takeptr == items.length) takeptr = 0;--count;// 唤醒等待放数据的生产者notFull.signal();return item;} finally {lock.unlock();}}
}

在上面的代码中，我们使用了两个Condition对象：notFull和notEmpty，分别表示缓冲区非满和非空的条件。生产者线程在缓冲区满时调用notFull.await()方法等待，消费者线程在缓冲区空时调用notEmpty.await()方法等待。当条件满足时，相应的线程会被唤醒，并继续执行。

通过这种方式，我们可以实现生产者和消费者之间的高效协作，避免了忙等和无效唤醒等问题。

3.Condition与Object的监视器方法的比较

在Java中，Object类提供了wait、notify和notifyAll这三个监视器方法用于线程间的等待和通知。然而，随着并发编程的复杂性增加，这些方法在某些场景下显得捉襟见肘。相比之下，Condition接口提供了更为丰富和灵活的功能。

多条件支持：一个关键的区别在于Condition支持多个等待条件。这意味着，对于一个锁，我们可以创建多个Condition对象，每个对象代表一个不同的等待条件。这在处理复杂的多条件同步问题时非常有用。而Object的监视器方法则只能支持一个等待条件，即所有线程都在同一个对象上等待和被通知。
灵活性：Condition提供了可中断等待（awaitInterruptibly）和定时等待（awaitUntil）的功能，这使得在等待过程中可以更好地处理中断和超时情况。而Object的wait方法则不具备这些特性，一旦线程开始等待，它只能被其他线程显式唤醒或遇到中断异常时才能退出等待状态。
与锁的结合：Condition是与Lock接口紧密结合的，它必须配合Lock使用。这种结合使得Condition在等待和通知时可以更精细地控制锁的释放和获取。而Object的监视器方法则是与每个对象自带的内部锁（即synchronized关键字所使用的锁）结合使用的，这种锁的粒度较大，控制起来相对粗糙。

4.Condition的高级特性

除了基本的使用方法和与Object监视器方法的比较外，Condition还提供了一些高级特性，使得它在处理复杂并发问题时更加得心应手。

公平与非公平模式：Condition的公平与非公平模式取决于与它配合的Lock的实现。ReentrantLock类提供了公平和非公平两种模式。在公平模式下，等待时间最长的线程将获得优先执行权；而在非公平模式下，则没有这种保证。这使得Condition可以根据需要选择不同的同步策略。
可中断等待与定时等待：如前所述，Condition提供了awaitInterruptibly和awaitUntil方法，支持可中断等待和定时等待。这使得在等待过程中可以更好地处理中断和超时情况，提高了程序的响应性和健壮性。

5.常见问题

虚假唤醒：Condition的await方法可能会在没有收到通知的情况下返回，这种情况被称为“虚假唤醒”。为了避免这种情况对程序的影响，我们通常在await方法的调用处使用循环来检查条件是否真正满足。
死锁与活锁的预防：在使用Condition时，需要注意避免死锁和活锁的发生。死锁是指两个或多个线程无限期地等待彼此释放资源；而活锁则是指线程们不断改变状态以尝试解决问题，但最终无法取得进展。为了避免这些问题，我们可以遵循一些最佳实践，如按顺序获取锁、使用tryLock方法尝试获取锁等。
性能调优建议：在使用Condition时，还需要注意性能调优。例如，尽量减少锁的持有时间、避免在持有锁的情况下执行耗时操作等。这些措施可以提高程序的并发性能和响应性。