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后端技术 JAVA

Java并发编程之LookSupport原理及实战

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2022-07-28 / 0 评论 / 0 点赞 / 179 阅读 / 7,212 字 / 正在检测是否收录...

java.util.concurrent 包里的源码频繁使用的 LockSupport 是一个线程阻塞的工具类，是用来创建锁和其他同步类的基本线程阻塞原语。如 AQS 的底层实现就用到了 LockSupport.park()方法和 LockSupport.unpark()方法。该类中的所有方法都是静态方法，可以让线程在任意位置阻塞，阻塞之后也有对应的解锁方法，底层调用了Unsafe中的native方法。主要核心API为 park 和 unpark 方法，分别用来阻塞线程和解除阻塞线程。

1、线程等待和唤醒的方式

1.1 方式

java多线程中，常用的线程等待和唤醒的方式有3种。

  • 使用Object类中的 wait 和 notify 方法进行线程的等待和唤醒。
  • 使用JUC中的 Conditon 的 await 和 singal 方法进行线程的等待和唤醒。
  • 使用 LockSupport 的 park 和 unpark 方法阻塞唤醒当前线程。

1.2 区别

上述三种线程等待唤醒方式的区别如下：

Object的 wait 和 notify

  1. 必须使用 sycnchronized 关键字包裹
  2. wait必须要写在synchronized代码块中，否则会报异常。
  3. 必须由同一个lock对象调用wait、notify方法
  4. 如果 notify 放在 wait 之前，线程无法被唤醒，必须先 wait 后 notify。

JUC中的 Condition的 await 和 singal

  1. 必须使用 lock 和 unlock 方法包裹
  2. 如果先使用 singal 再 await，线程无法被唤醒，必须先 await 后 singal

LockSupport 的 park 和 unpark方法

  1. LockSupport是用来创建锁和其他同步类的基本线程阻塞原语,提供了一个Permit语序的概念来做到阻塞和唤醒线程功能。每个线程都有一个Permit，Permit是一个0/1的信号量，只用0和1两个值，默认是0。与Semaphore不同的是,许可的累加上限是1。
  2. 核心API park()/park(Object blocker)、unpark(Thread thread)分别用于阻塞和唤醒线程
  3. 没有锁代码块的要求
  4. 先unpark后park也可以正常执行
  • Object 的 wait()/notify 方法需要获取到对象锁之后在同步代码块里才能调用。
  • 而 LockSupport 不需要获取锁。所以使用 LockSupport 线程间不需要维护一个共享的同步对象，从而实现了线程间的解耦。
  • unark 方法可提前 park 方法调用，所以不需要担心线程间执行的先后顺序，而 wait & notify 不能先 notify。
  • park 和 unpark 的使用不会出现死锁的情况
  • unpark 可以先于 park 执行，就相当于给这个线程一块免死金牌，但是只有一块，就算提前 unpark 了 100 次也只有一块。有了免死金牌之后，第一次 park 这个线程，该线程是不会被 park 住，只是收走了这块免死金牌，下一次park，该线程就进入等待状态了。
  • 多次调用 unpark 方法和调用一次 unpark 方法效果一样，因为 unpark 方法是直接将_counter 赋值为 1，而不是加 1。
  • 许可不可重入，也就是说只能调用一次 park()方法，如果多次调用 park()线程会一直阻塞。
  • park & unpark 是以线程为单位来【阻塞】和 【唤醒】，notify 则是随机唤醒一个等待的线程，notifyAll 是唤醒所有等待线程，不精确。
  • 两者的阻塞队列并不交叉。object.notifyAll()不能唤醒LockSupport的阻塞Thread。
  • 暂停线程的机制也不一样，wait 是让线程在monitor 的 waitSet 中等待，而LockSupport 是与被park的线程的互斥量进行控制。

2、LockSupport原理介绍

原理：

每个java 线程都有一个Parker实例，parker实例的_counter字段，映射了操作系统底层的互斥量（mutex）。使用它来进行线程的并发控制。

LockSupport和每个使用它的线程都与一个许可(permit)关联。permit相当于1，0的开关，默认是0，调用一次unpark就加1变成1，调用一次park会消费permit, 也就是将1变成0，同时park立即返回。再次调用park会变成block（因为permit为0了，会阻塞在这里，直到permit变为1）, 这时调用unpark会把permit置为1。每个线程都有一个相关的permit, permit最多只有一个，重复调用unpark也不会积累。

特点：

  1. LockSupport是用来创建锁和其他同步类的基本线程阻塞原语LockSupport是一个线程阻塞的工具类
  2. 所有方法都是静态方法,可以让线程在任意位置阻塞,阻塞之后也有对应的解锁方法
  3. 底层调用了Unsafe中的native方法
  4. 每一个使用它的线程都有一个许可证Permit,调用一次unpark就+1,调用一次park会消费permit,将1变成0.同时park立刻返回,如果再调用一次park会变成阻塞(permit为0会阻塞在这里,一直到permit变成1)
  5. 每个线程都有相关的permit最多一个,重复调用unpark也不会累积凭证
  6. 调用park方法,如果有凭证则会消耗掉这个凭证然后正常退出,如果无凭证,就必阻塞等待凭证可用,而unpark相反,他会添加一个凭证,但凭证最多只有1个累加无效

LockSupport为什么可以先唤醒线程后阻塞线程?

因为unpark提供了一个凭证,Permit=1,之后再调用park,Permit变成0,正常的凭证消费则不会阻塞

为什么唤醒两次后阻塞两次，最终结果会阻塞线程

因为Permit最多数量是1,连续调用2次unpark方法,结果Permit的值还是1,调用第一次park方法将Permit改为0,第二次调用 park 时 Permit还是0，故阻塞。

3、LockSupprot 方法介绍

LockSupport 提供 park()和 unpark()方法实现阻塞线程和解除线程阻塞。

阻塞线程的方法：

void park()：阻塞当前线程，如果调用 unpark 方法或者当前线程被中断，才能从 park()方法中返回
void park(Object blocker)：功能同方法 1，入参增加一个 Object 对象，用来记录导致线程阻塞的阻塞对象，方便进行问题排查；
void parkNanos(long nanos)：阻塞当前线程，最长不超过 nanos 纳秒，增加了超时返回的特性；
void parkNanos(Object blocker, long nanos)：功能同方法 3，入参增加一个 Object 对象，用来记录导致线程阻塞的阻塞对象，方便进行问题排查；
void parkUntil(long deadline)：阻塞当前线程，直到 deadline；
void parkUntil(Object blocker, long deadline)：功能同方法 5，入参增加一个 Object 对象，用来记录导致线程阻塞的阻塞对象，方便进行问题排查；

每个 park 方法都对应有一个带有 Object 阻塞对象的重载方法。增加了一个 Object 对象作为参数，此对象在线程受阻塞时被记录，以允许监视工具和诊断工具确定线程受阻塞的原因。

唤醒线程的方法：

void unpark(Thread thread)：唤醒处于阻塞状态的指定线程

简单示例：

public class LockSupportDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            LockSupport.park();
            System.out.println("thread线程被唤醒");
        });
        thread.start();
        try {
            Thread.sleep(3000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        LockSupport.unpark(thread);
    }
}

该示例中，首先thread线程会被 park 阻塞，主线程在睡眠3秒之后，执行unpark(thread)方法，这时候thread线程 被唤醒，输出"thread线程被唤醒"。

4、LockSupport实战示例

4.1 基本使用示例

import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.LockSupport;

public class LockSupportDemo {

    public static void main(String[] args) {
        simpleLockSupport();
    }


    /**
     * lockSupport最基本的使用
     */
    private static void simpleLockSupport() {
        Thread t1 = new Thread("A") {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 进入 !");
                LockSupport.park();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 被唤醒 !");
            }
        };
        t1.start();
        Thread t2 = new Thread("B") {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 进入 !");
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
                } catch (InterruptedException e) {
                }
                LockSupport.unpark(t1);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 唤醒 线程A !");
            }
        };
        t2.start();
    }
}

image-1658883820914

4.2 unpark调用时机

需要注意的是unpark方法如果在线程启动之前调用没有任何作用，在线程启动之后unpark，然后再调用park。可以正常解锁。因为unpark本质把permit改成了1，此时调用park正常消费。

import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.LockSupport;

public class LockSupportDemo {

    public static void main(String[] args) {
        unparkBeforePark();
    }

    /**
     * unpark必须在 线程启动之后调用 如果线程启动之前调用 unpark没有效果
     * unpark在线程启动之后先调用了 再调用park 可以正常解锁,因为unpark本质把permit改成了1 调用park正常消费
     */
    private static void unparkBeforePark() {
        Thread t1 = new Thread("A") {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " before park !");
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
                } catch (InterruptedException e) {
                }
                LockSupport.park();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " after park !");
            }
        };
        // 线程启动之前先unpark 没有任何效果 park还是阻塞
//        LockSupport.unpark(t1);
        System.out.println("start");
        t1.start();
        // 线程启动之后先调用unpark，线程里面 park 可以正常执行完
        LockSupport.unpark(t1);
    }
}

image-1658884051170

5、LockSupport与wait&notify比较示例

使用LockSupport与wait&notify实现同样逻辑的代码：

  • 线程A执行一段业务逻辑后调用wait/park阻塞住自己。主线程调用notify/unpark方法唤醒线程A，线程A然后打印自己执行的结果。

5.1 wait&notify方式

import java.util.concurrent.locks.LockSupport;

/**
 * LockSupport与wait&notify的使用对比
 */
public class LockSupportAndWait {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        waitNotifyDemo();
    }

    // wait&notify示例
    public static void waitNotifyDemo() throws Exception {
        final Object obj = new Object();
        Thread A = new Thread(() -> {
            int sum = 0;
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                sum += i;
            }
            try {
                // wait和notify/notifyAll方法只能在同步代码块里用, 下述代码会报java.lang.IllegalMonitorStateException
//                obj.wait();
                // 使用synchronized包裹wait方法才是正确的
                synchronized (obj) {
                    obj.wait();
                }
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("waitNotify方式：sum = " + sum);
        });
        A.start();
        //睡眠一秒钟，保证线程A已经计算完成，阻塞在wait方法
        Thread.sleep(1000);
        synchronized (obj) {
            obj.notify();
        }
    }
}
  • 注意：wait和notify/notifyAll方法只能在同步代码块里用（在synchronized代码块内部），否则会报 java.lang.IllegalMonitorStateException 异常。

5.2 LockSupport方式

import java.util.concurrent.locks.LockSupport;

/**
 * LockSupport与wait&notify的使用对比
 */
public class LockSupportAndWait {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        lockSupportDemo();
    }

    // lockSupport示例
    public static void lockSupportDemo() throws Exception {
        Thread A = new Thread(() -> {
            int sum = 0;
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                sum += i;
            }
            LockSupport.park();
            System.out.println("LockSupport方式：sum = " + sum);
        });
        A.start();
        //睡眠一秒钟，保证线程A已经计算完成，阻塞在wait方法
        Thread.sleep(1000);
        LockSupport.unpark(A);
    }
}

可以看出，LockSupport使用不需要在同步代码块里，线程间不需要维护一个共享的同步对象，实现了线程间的解耦。比Object的wait/notify方式简单很多。

5.3 wait&notify和Locksupport去掉sleep后的对比

仔细观察上述2个示例，可以发现在主线程唤醒线程之前都有一个睡眠操作 Thread.sleep(1000);，主线程调用了Thread.sleep(1000)方法主要用来等待线程A计算完成进入wait状态。

waitNotifyDemo去掉Thread.sleep()调用后：

多次执行后，我们会发现：有的时候能够正常打印结果并退出程序，但有的时候线程无法打印结果阻塞住了。原因就在于主线程调用完notify后，线程A才进入wait方法，导致线程A一直阻塞住。由于线程A不是后台/精灵线程，所以整个程序无法退出。

Locksupport去掉Thread.sleep()调用后：

我们会发现：不管你执行多少次，这段代码都能正常打印结果并退出。LockSupport支持主线程先调用unpark后，线程A再调用park而不被阻塞。这就是LockSupport最大的灵活所在。

6、总结

LockSupport比Object的wait/notify有两大优势：

  • LockSupport不需要在同步代码块里，所以线程间也不需要维护一个共享的同步对象，实现了线程间的解耦。
  • unpark函数可以先于park调用，所以不需要担心线程间的执行的先后顺序，park和unpark的使用不会出现死锁的情况。
  • park和unpark可以实现类似wait和notify的功能，但是并不和wait和notify交叉，也就是说unpark不会对wait起作用，notify也不会对park起作用。
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