JDK源码那些事儿之LockSupport

Posted 2020-11-28 freeorange

前面一篇文章中说明了Object的阻塞唤醒机制，今天我们要讲解另一个类LockSupport，在AQS中你能看见它的身影，所以需要提前了解其实现和使用机制，便于后面深入AQS的学习

前言

JDK版本号：1.8.0_171

在源码阅读之前希望大家先去阅读几遍注释，其中介绍了LockSupport的设计，实现和使用机制，这里进行简单说明下：

• 每个使用LockSupport的线程都有一个permit(许可)，假如permit可用则不进行阻塞。permit不可用时使用unpark可以使得其处于可用状态，注意，这里permit是不能叠加的，也就是说只有一个
• park和unpark提供了线程阻塞和线程唤醒操作，park支持中断响应，unpark操作可以在park之前调用，这样相当于先让permit处于可用状态， 那么再调用park就不会进行阻塞
• park操作支持blocker对象参数，线程阻塞时会记录该对象，以允许监视和诊断工具确定线程被阻塞的原因，注释中推荐使用这种方式
• LockSupport是被设计用来创建高级同步器工具类，对于大多数并发控制程序来说用处不大

上述有些术语可能令人困惑，这里我们通俗点说，首先需要理解permit(许可)，这里也就是相当于一个变量标志，有兴趣可查看Hotspot源码

HotSpot Parker用condition和mutex维护了一个_counter变量，park时，变量_counter置为0，unpark时，变量_counter置为1

连续两次调用park操作，变量不会变成2，还是1，也就是说的不能叠加，你可以自己写代码验证，因为维护的是一个变量标识更新，所以park和unpark的调用没有先后顺序限制:

• 变量_counter为0（默认），如果调用park，则线程会被阻塞，如果调用unpark，则变量会置为1，唤醒被阻塞的线程（注意，阻塞的线程唤醒后会消耗掉又将变量置为0）
• 变量_counter为1，如果调用park，则线程不会被阻塞，但是变量会被置为0，如果调用unpark，则变量还是1

简单示例代码如下：

    Thread test = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("start");
            LockSupport.park(this);// _counter为0，阻塞
            System.out.println("end");

        }
    });
    test.start();

    Thread.sleep(3000);
    System.out.println("ready notify");
    // 线程对应的_counter置为1，同时唤醒阻塞的线程，唤醒的线程消耗掉1置为0
    LockSupport.unpark(test);

FIFOMutex

在AbstractQueuedSynchronizer中使用了LockSupport实现线程阻塞和唤醒操作，所以有必要先进行了解，怎么通过LockSupport实现FIFO互斥锁呢？源码注释处已经提供了思路，非队首线程或者不能更新锁标识的都需要被阻塞，还是挺巧妙的，可以好好理解理解

public class FIFOMutex {

    public static void main(String[] args) {
        FIFOMutex lock = new FIFOMutex();
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread()+"111");
                lock.lock();
                System.out.println(Thread.currentThread()+"111");
            }
        }).start();
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread()+"222");
                lock.lock();
                System.out.println(Thread.currentThread()+"222");
            }
        }).start();
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread()+"333");
                lock.lock();
                System.out.println(Thread.currentThread()+"333");
            }
        }).start();
        Thread.sleep(1000);
        lock.unlock();
        Thread.sleep(1000);
        lock.unlock();
    }

    private final AtomicBoolean locked = new AtomicBoolean(false);
    private final Queue<Thread> waiters
            = new ConcurrentLinkedQueue<Thread>();

    public void lock() {
        boolean wasInterrupted = false;
        Thread current = Thread.currentThread();
        waiters.add(current);

        // Block while not first in queue or cannot acquire lock
        // 非队首线程或者CAS获取不到锁标识则进行阻塞
        while (waiters.peek() != current ||
                !locked.compareAndSet(false, true)) {
            LockSupport.park(this);
            if (Thread.interrupted()) // ignore interrupts while waiting
                wasInterrupted = true;
        }

        waiters.remove();
        if (wasInterrupted)          // reassert interrupt status on exit
            current.interrupt();
    }

    public void unlock() {
        locked.set(false);
        LockSupport.unpark(waiters.peek());
    }
}

常量

常量部分通过CAS来完成操作，没什么需要多说的，简单理解就好，不是重点

    // Hotspot implementation via intrinsics API
    private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;
    private static final long parkBlockerOffset;
    private static final long SEED;
    private static final long PROBE;
    private static final long SECONDARY;
    static {
        try {
            UNSAFE = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
            Class<?> tk = Thread.class;
            parkBlockerOffset = UNSAFE.objectFieldOffset
                (tk.getDeclaredField("parkBlocker"));
            SEED = UNSAFE.objectFieldOffset
                (tk.getDeclaredField("threadLocalRandomSeed"));
            PROBE = UNSAFE.objectFieldOffset
                (tk.getDeclaredField("threadLocalRandomProbe"));
            SECONDARY = UNSAFE.objectFieldOffset
                (tk.getDeclaredField("threadLocalRandomSecondarySeed"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }

构造方法

空的私有构造方法，不能被外部实例化

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

重要方法

大量调用了UNSAFE的native方法，有兴趣的可以去找HotSpot源码来深入学习，我们这里仅做了解使用即可

setBlocker

park相关方法中被调用，记录阻塞的对象，也就是监视和阻断工具查原因时保存的对象

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

unpark

简单理解为唤醒对应的thread线程是不正确的，实际上，即使thread线程未调用park操作阻塞这里unpark操作也是可以进行的，使得thread线程的permit处于可用状态，那么之后thread线程调用park线程将不会被阻塞，因为permit可用，参考前言写些代码多理解理解

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

park

在permit处于不可用状态时，阻塞当前线程，同时可传入blocker信息，同时注意被唤醒条件有以下三种：

• 其他线程对当前线程调用unpark
• 其他线程中断当前线程的执行
• 不合逻辑的调用返回（这个不是很理解，有大神可以评论解释下）

被唤醒的原因不会被返回，所以需要调用方自行检查是什么原因

    public static void park() {
        UNSAFE.park(false, 0L);
    }
    public static void park(Object blocker) {
        Thread t = Thread.currentThread();
        // 这个地方在阻塞前保存了blocker信息
        setBlocker(t, blocker);
        UNSAFE.park(false, 0L);
        // 被唤醒之后被将blocker信息置空
        setBlocker(t, null);
    }

parkNanos

在permit处于不可用状态时，阻塞当前线程nanos毫秒，同时可传入blocker信息，唤醒机制和park()类似，除了多了一个超时条件，当然这里是超时自动唤醒的机制

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

parkUntil

在permit处于不可用状态时，阻塞当前线程到deadline时间点，同时可传入blocker信息，与parkNanos类似

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

getBlocker

获取线程t的blocker对象信息，也就是被阻塞前通过setBlocker(t, blocker)传入的对象信息

    public static Object getBlocker(Thread t) {
        if (t == null)
            throw new NullPointerException();
        return UNSAFE.getObjectVolatile(t, parkBlockerOffset);
    }

nextSecondarySeed

这个方法是由于多线程随机数生成器ThreadLocalRandom的package访问权限限制不能被这个包下的类使用，复制了一份实现出来，在StampedLock中被使用，有兴趣可以去了解，以后会在StampedLock的源码中进行说明

    /**
     * Returns the pseudo-randomly initialized or updated secondary seed.
     * Copied from ThreadLocalRandom due to package access restrictions.
     */
    static final int nextSecondarySeed() {
        int r;
        Thread t = Thread.currentThread();
        if ((r = UNSAFE.getInt(t, SECONDARY)) != 0) {
            r ^= r << 13;   // xorshift
            r ^= r >>> 17;
            r ^= r << 5;
        }
        else if ((r = java.util.concurrent.ThreadLocalRandom.current().nextInt()) == 0)
            r = 1; // avoid zero
        UNSAFE.putInt(t, SECONDARY, r);
        return r;
    }

区别

那么LockSupport的阻塞唤醒机制和Object的阻塞唤醒机制有什么区别呢？

• LockSupport不需要先进入对应的同步锁，但是Object的wait和notify需要先通过synchronized获取锁才能使用
• LockSupport没有被局限在当前线程中，可以参考使用示例，而Object的wait和notify，在没有退出同步代码块之前，这个锁实际上还是当前线程占用的，不管是否执行了wait和notify，只有在退出了同步代码块，这个锁才会真正的被释放

总结

本文分析了LockSupport的使用和源码，简单说明了Hotspot源码中对应的实现机制，方便各位理解，本质上而言还是很好理解的，其实对于我们而言更重要的在于使用，在线程阻塞唤醒机制上的使用需要大家多理解理解，下篇文章我们就开始进行AQS的源码学习了，当然要好好理解下LockSupport

以上内容如有问题欢迎指出，笔者验证后将及时修正，谢谢