java.util.concurrent.locks.LockSupport (讲得比较细)

Posted 2020-09-23 冰花ぃ雪魄

转自:   https://my.oschina.net/readjava/blog/282882

 

摘要: 要学习JAVA中是如何实现线程间的锁，就得从LockSupport这个类先说起，因为这个类实现了底层的一些方法，各种的锁实现都是这个基础上发展而 来的。这个类方法很少，但理解起来需要花费一点时间，因为涉及了很多底层的知识，这些都是我们平时不关心的。

要学习JAVA中是如何实现线程间的锁，就得从LockSupport这个类先说起，因为这个类实现了底层的一些方法，各种的锁实现都是这个基础上发展而来的。这个类方法很少，但理解起来需要花费一点时间，因为涉及了很多底层的知识，这些都是我们平时不关心的。

上源代码：

package java.util.concurrent.locks;
import java.util.concurrent.*;
import sun.misc.Unsafe;

public class LockSupport {
    private LockSupport() {} // Cannot be instantiated.

    // Hotspot implementation via intrinsics API
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long parkBlockerOffset;

    static {
        try {
            parkBlockerOffset = unsafe.objectFieldOffset
                (java.lang.Thread.class.getDeclaredField("parkBlocker"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }

    private static void setBlocker(Thread t, Object arg) {
        // Even though volatile, hotspot doesn‘t need a write barrier here.
        unsafe.putObject(t, parkBlockerOffset, arg);
    }

    public static void unpark(Thread thread) {
        if (thread != null)
            unsafe.unpark(thread);
    }

    public static void park(Object blocker) {
        Thread t = Thread.currentThread();
        setBlocker(t, blocker);
        unsafe.park(false, 0L);
        setBlocker(t, null);
    }

    public static void parkNanos(Object blocker, long nanos) {
        if (nanos > 0) {
            Thread t = Thread.currentThread();
            setBlocker(t, blocker);
            unsafe.park(false, nanos);
            setBlocker(t, null);
        }
    }

    public static void parkUntil(Object blocker, long deadline) {
        Thread t = Thread.currentThread();
        setBlocker(t, blocker);
        unsafe.park(true, deadline);
        setBlocker(t, null);
    }

    public static Object getBlocker(Thread t) {
        return unsafe.getObjectVolatile(t, parkBlockerOffset);
    }

    public static void park() {
        unsafe.park(false, 0L);
    }

    public static void parkNanos(long nanos) {
        if (nanos > 0)
            unsafe.park(false, nanos);
    }

    public static void parkUntil(long deadline) {
        unsafe.park(true, deadline);
    }
}

这个类提供的都是静态方法，且无法被实例化。

 

在LockSupport中有两个私有的成员变量：

    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long parkBlockerOffset;

大家都知道JAVA语言是平台无关的，一次编译，可以在任何平台上运行，但是如果真的不可以调用一些平台相关的方法吗？其实unsafe类是可以做到的。

unsafe：是JDK内部用的工具类。它通过暴露一些Java意义上说“不安全”的功能给Java层代码，来让JDK能够更多的使用Java代码来实现一些原本是平台相关的、需要使用native语言（例如C或C++）才可以实现的功能。该类不应该在JDK核心类库之外使用。 

parkBlokcerOffset：parkBlocker的偏移量，从字面上理解是这么个东东。但是parkBlocker又是干嘛的？偏移量又是做什么的呢？让我们来看看Thread类的实现：

    //java.lang.Thread的源码
    /**
     * The argument supplied to the current call to 
     * java.util.concurrent.locks.LockSupport.park.
     * Set by (private) java.util.concurrent.locks.LockSupport.setBlocker
     * Accessed using java.util.concurrent.locks.LockSupport.getBlocker
     */
    volatile Object parkBlocker;

问题1：parkBlocker又是干嘛的？

原来java.lang.Thread的实现当中有这么一个对象。从注释上看，这个对象被LockSupport的setBlocker和getBlocker调用。查看JAVADOC会发现这么一段解释：

大致意思是，这个对象是用来记录线程被阻塞时被谁阻塞的。用于线程监控和分析工具来定位原因的。主要调用了LockSupport的getBlocker方法。

原来，parkBlocker是用于记录线程是被谁阻塞的。可以通过LockSupport的getBlocker获取到阻塞的对象。用于监控和分析线程用的。

问题2：偏移量又是做什么的？

 

    static {
        try {
            parkBlockerOffset = unsafe.objectFieldOffset
                (java.lang.Thread.class.getDeclaredField("parkBlocker"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }

这个要往后看一下，原来偏移量就算Thread这个类里面变量parkBlocker在内存中的偏移量。

JVM的实现可以自由选择如何实现Java对象的“布局”，也就是在内存里Java对象的各个部分放在哪里，包括对象的实例字段和一些元数据之 类。sun.misc.Unsafe里关于对象字段访问的方法把对象布局抽象出来，它提供了objectFieldOffset()方法用于获取某个字段 相对Java对象的“起始地址”的偏移量，也提供了getInt、getLong、getObject之类的方法可以使用前面获取的偏移量来访问某个 Java对象的某个字段。 

问题3：为什么要用偏移量来获取对象？干吗不要直接写个get，set方法。多简单？

仔细想想就能明白，这个parkBlocker就是在线程处于阻塞的情况下才会被赋值。线程都已经阻塞了，如果不通过这种内存的方法，而是直接调用线程内的方法，线程是不会回应调用的。

 

private static void setBlocker(Thread t, Object arg)

    private static void setBlocker(Thread t, Object arg) {
        // Even though volatile, hotspot doesn‘t need a write barrier here.
        unsafe.putObject(t, parkBlockerOffset, arg);
    }

参数：

• Thread t 需要被赋值Blocker的线程

• Object arg 具体的Blocker对象

解读：有了之前的理解，这个方法就很好理解了。对给定线程t的parkBlocker赋值。为了防止，这个parkBlocker被误用，该方法是不对外公开的。

 

public static Object getBlocker(Thread t)

    public static Object getBlocker(Thread t) {
        return unsafe.getObjectVolatile(t, parkBlockerOffset);
    }

参数：Thread t, 被操作的线程对象

返回：parkBlocker对象

解读：从线程t中获取他的parkerBlocker对象。这个方法是对外公开的。

 

是不是可以利用这个方法来写一个监控程序，炫耀一把.

 

再讲其他几个方法之前，先谈谈park和unpark是做什么的.

看看SUN的官方解释 （点击查看源码）

        /**  
         * Unblock the given thread blocked on <tt>park</tt>, or, if it is
         * not blocked, cause the subsequent call to <tt>park</tt> not to
         * block.  Note: this operation is "unsafe" solely because the
         * caller must somehow ensure that the thread has not been
         * destroyed. Nothing special is usually required to ensure this
         * when called from Java (in which there will ordinarily be a live
         * reference to the thread) but this is not nearly-automatically
         * so when calling from native code.
         * @param thread the thread to unpark.
         * 
         */
         public native void unpark(Object thread);
     
        /**
         * Block current thread, returning when a balancing
         * <tt>unpark</tt> occurs, or a balancing <tt>unpark</tt> has
         * already occurred, or the thread is interrupted, or, if not
         * absolute and time is not zero, the given time nanoseconds have
         * elapsed, or if absolute, the given deadline in milliseconds
         * since Epoch has passed, or spuriously (i.e., returning for no  
          * "reason"). Note: This operation is in the Unsafe class only
         * because <tt>unpark</tt> is, so it would be strange to place it
         * elsewhere.
         */
         public native void park(boolean isAbsolute, long time);

字面理解park，就算占住，停车的时候不就把这个车位给占住了么？起这个名字还是很形象的。unpark，占住的反义词，就是释放。把车从车位上开走。

翻译一下：

• park：阻塞当前线程，(1)当配对的unpark发生或者(2)配对的unpark已经发生或者线程被中断时恢复（unpark先 行，再执行park）。 (3)当absolute是false时，如果给定的时间是非0（负数）或者给定的时间（正数, 时间单位时毫秒）已经过去了(0的时候会一直阻塞着)。(4)当Absolute是true时，如果给定的时间（时间单位是纳秒）过去了或者伪造的（在我 理解是参数不合法时）线程会恢复中断。这个操作是不安全的，所以在其他调用会很奇怪（奇怪？反正就是用的时候要小心）

• • unpark：当指定线程被park命令阻塞时unpark命令可以恢复阻塞。在park命令没有被先调用过的时候，调用unpark，线程仍然不被阻塞。（翻译的有点那个...）.

  理解一下，park与unpark命令是成对出现的。unpark必须要在park命令后执行。但是线程的恢复并不一定要用unpark, 因为park的时间参数，有些情况下线程会自己恢复。

   

   public static void unpark(Thread thread)

      public static void unpark(Thread thread) {
          if (thread != null)
              unsafe.unpark(thread);
      }

  参数：Thread thread, 需要被中止挂起的线程

   

  带blocker参数的park方法

  public static void park(Object blocker) {
          Thread t = Thread.currentThread();
          setBlocker(t, blocker);
          unsafe.park(false, 0L);
          setBlocker(t, null);
      }
  
      public static void parkNanos(Object blocker, long nanos) {
          if (nanos > 0) {
              Thread t = Thread.currentThread();
              setBlocker(t, blocker);
              unsafe.park(false, nanos);
              setBlocker(t, null);
          }
      }
  
      public static void parkUntil(Object blocker, long deadline) {
          Thread t = Thread.currentThread();
          setBlocker(t, blocker);
          unsafe.park(true, deadline);
          setBlocker(t, null);
      }

  参数：

  • Object blocker：用于记录到线程中的parkBlocker对象。

  • nanos：在nanos时间后线程自动恢复挂起

  • deadline：在deadline时刻线程自动（这个毫秒其实就是自1970年1月1日0时起的毫秒数）

     

  解读：这三个方法其实是一个意思，把blocker放到线程当中，注意，这个park方法是一个阻塞的方法，除非4个条件

  1. 当配对的unpark发生或者

  2. 配对的unpark已经发生或者线程被中断时恢复（unpark先行，再执行park）

  3. 当absolute是false时，如果给定的时间是非0（负数）或者给定的时间（正数, 时间单位时毫秒）已经过去了(0的时候会一直阻塞着)。

  4. 当Absolute是true时，如果给定的时间（时间单位是纳秒）过去了或者伪造的（在我理解是参数不合法时）线程会恢复中断。

   

  不带blocker参数的park方法

      public static void park() {
          unsafe.park(false, 0L);
      }
  
      public static void parkNanos(long nanos) {
          if (nanos > 0)
              unsafe.park(false, nanos);
      }
  
      public static void parkUntil(long deadline) {
          unsafe.park(true, deadline);
      }

  这三个方法跟上面一样，唯一区别是没有做parkBlocker的赋值操作。

  ---

  来自我同事的并发编程网：

  我们继续看一下JVM是如何实现park方法的，park在不同的操作 系统使用不同的方式实现，在linux下是使用的是系统方法pthread_cond_wait实现。实现代码在JVM源码路径src/os/linux /vm/os_linux.cpp里的 os::PlatformEvent::park方法，代码如下：

  void os::PlatformEvent::park() {      

               int v ;

           for (;;) {

          v = _Event ;

           if (Atomic::cmpxchg (v-1, &_Event, v) == v) break ;

           }

           guarantee (v >= 0, "invariant") ;

           if (v == 0) {

           // Do this the hard way by blocking ...

           int status = pthread_mutex_lock(_mutex);

           assert_status(status == 0, status, "mutex_lock");

           guarantee (_nParked == 0, "invariant") ;

           ++ _nParked ;

           while (_Event < 0) {

           status = pthread_cond_wait(_cond, _mutex);

           // for some reason, under 2.7 lwp_cond_wait() may return ETIME ...

           // Treat this the same as if the wait was interrupted

           if (status == ETIME) { status = EINTR; }

           assert_status(status == 0 || status == EINTR, status, "cond_wait");

           }

           -- _nParked ;

            

           // In theory we could move the ST of 0 into _Event past the unlock(),

           // but then we‘d need a MEMBAR after the ST.

           _Event = 0 ;

           status = pthread_mutex_unlock(_mutex);

           assert_status(status == 0, status, "mutex_unlock");

           }

           guarantee (_Event >= 0, "invariant") ;

           }

       }