Java锁机制之LockSupport工具 - LockSupport的park和unpark - 《Java 笔记》

前言
一、LockSupport
二、LockSupport park & unpark原理
- 2.1、情况一，先调用park，再调用unpark
  - park 操作
  - unpark 操作
2.2、情况二，先调用unpark，再调用park
三、LockSupport Java源码解析
总结：

Java LockSupport

前言

熟悉 Java 并发包的人一定对 LockSupport 的 park/unpark 方法不会感到陌生，它是 Lock（AQS）的基石，给 Lock（AQS）提供了挂起/恢复当前线程的能力。
LockSupport 的 park/unpark 方法本质上是对 Unsafe 的 park/unpark 方法的简单封装，而后者是 native 方法，对 Java 程序来说是一个黑箱操作，那么要想了解它的底层实现，就必须深入 Java 虚拟机的源码。
以park的源码为例：

public class LockSupport {
    public static void park(Object blocker) {
        //获取当前线程
        Thread t = Thread.currentThread();
        //记录当前线程阻塞的原因,底层就是unsafe.putObject,就是把对象存储起来
        setBlocker(t, blocker);
        //执行park
        unsafe.park(false, 0L);
        //线程恢复后，去掉阻塞原因
        setBlocker(t, null);
    }
    //无限阻塞线程，直到有其他线程调用unpark方法
    public static void park() {
        UNSAFE.park(false, 0L);
    }       
}

从源码可以看到真实的实现均在 unsafe。

一、LockSupport

LockSupport是JDK中比较底层的类，用来创建锁和其他同步工具类的基本线程阻塞原语。
Java锁和同步器框架的核心AQS:AbstractQueuedSynchronizer，就是通过调用LockSupport.park()和LockSupport.unpark()实现线程的阻塞和唤醒的。LockSupport很类似于二元信号量(只有1个许可证可供使用)，如果这个许可还没有被占用，当前线程获取许可并继续执行；如果许可已经被占用，当前线程阻塞，等待获取许可。
LockSupport中的park() 和 unpark() 的作用分别是阻塞线程和解除阻塞线程，而且park()和unpark()不会遇到“Thread.suspend 和 Thread.resume所可能引发的死锁”问题。因为park() 和 unpark()有许可的存在；调用 park() 的线程和另一个试图将其 unpark() 的线程之间的竞争将保持活性。

1.1、LockSupport函数列表

public class LockSupport {
    // 返回提供给最近一次尚未解除阻塞的 park 方法调用的 blocker 对象，如果该调用不受阻塞，则返回 null。
    static Object getBlocker(Thread t);
    // 为了线程调度，禁用当前线程，除非许可可用。
    static void park();
    // 为了线程调度，在许可可用之前禁用当前线程。
    static void park(Object blocker);
    // 为了线程调度禁用当前线程，最多等待指定的等待时间，除非许可可用。
    static void parkNanos(long nanos);
    // 为了线程调度，在许可可用前禁用当前线程，并最多等待指定的等待时间。
    static void parkNanos(Object blocker, long nanos);
    // 为了线程调度，在指定的时限前禁用当前线程，除非许可可用。
    static void parkUntil(long deadline);
    // 为了线程调度，在指定的时限前禁用当前线程，除非许可可用。
    static void parkUntil(Object blocker, long deadline);
    // 如果给定线程的许可尚不可用，则使其可用。
    static void unpark(Thread thread);
}

说明：LockSupport是通过调用Unsafe函数中的接口实现阻塞和解除阻塞的。

1.2、基本使用

// 暂停当前线程
LockSupport.park();
// 恢复某个线程的运行
LockSupport.unpark(暂停线程对象)

先 park 再 unpark

Thread t1 = new Thread(() -> {
    log.debug("start...");
    sleep(1);
    log.debug("park...");
    LockSupport.park();
    log.debug("resume...");
},"t1");
t1.start();
sleep(2);
log.debug("unpark...");
LockSupport.unpark(t1);

输出：

18:42:52.585 c.TestParkUnpark [t1] - start...
18:42:53.589 c.TestParkUnpark [t1] - park...
18:42:54.583 c.TestParkUnpark [main] - unpark...
18:42:54.583 c.TestParkUnpark [t1] - resume...

先 unpark 再 park

Thread t1 = new Thread(() -> {
    log.debug("start...");
    sleep(2);
    log.debug("park...");
    LockSupport.park();
    log.debug("resume...");
}, "t1");
t1.start();
sleep(1);
log.debug("unpark...");
LockSupport.unpark(t1);

输出：

18:43:50.765 c.TestParkUnpark [t1] - start...
18:43:51.764 c.TestParkUnpark [main] - unpark...
18:43:52.769 c.TestParkUnpark [t1] - park...
18:43:52.769 c.TestParkUnpark [t1] - resume...

1.3、特点

在调用对象的Wait之前当前线程必须先获得该对象的监视器(Synchronized)，被唤醒之后需要重新获取到监视器才能继续执行。而LockSupport并不需要获取对象的监视器。

与 Object 的 wait & notify 相比

1、wait，notify 和 notifyAll 必须配合 Object Monitor 一起使用，而 park，unpark 不必。
2、park & unpark 是以线程为单位来【阻塞】和【唤醒】线程，而 notify 只能随机唤醒一个等待线程，notifyAll是唤醒所有等待线程，但不那么【精确】。
3、park & unpark 可以先 unpark，而 wait & notify 不能先 notify。

因为它们本身的实现机制不一样，所以它们之间没有交集，也就是说LockSupport阻塞的线程，notify/notifyAll没法唤醒。
虽然两者用法不同，但是有一点， LockSupport 的park和Object的wait一样也能响应中断。

public class LockSupportTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new Thread(() -> {
            LockSupport.park();
            System.out.println("thread:"+Thread.currentThread().getName()+"awake");
            },"t1");
        t.start();
        Thread.sleep(2000);
        //中断
        t.interrupt();
    }
}

二、LockSupport park & unpark原理

每个线程都会关联一个 Parker 对象，每个 Parker 对象都各自维护了三个角色：_counter(计数器)、 _mutex(互斥量)、_cond(条件变量)。

2.1、情况一，先调用park，再调用unpark

park 操作

LockSupport的park和unpark - 图1

当前线程调用 Unsafe.park() 方法
检查 _counter ，本情况为 0，这时，获得 _mutex 互斥锁
线程进入 _cond 条件变量阻塞
设置 _counter = 0

unpark 操作
调用 Unsafe.unpark(Thread_0) 方法，设置 _counter 为 1
唤醒 _cond 条件变量中的 Thread_0
Thread_0 恢复运行
设置 _counter 为 0

2.2、情况二，先调用unpark，再调用park
调用 Unsafe.unpark(Thread_0) 方法，设置 _counter 为 1
当前线程调用 Unsafe.park() 方法
检查 _counter ，本情况为 1，这时线程无需阻塞，继续运行

设置 _counter 为 0

三、LockSupport Java源码解析

3.1 变量说明

public class LockSupport {
 // Hotspot implementation via intrinsics API
 //unsafe常量，设置为使用Unsafe.compareAndSwapInt进行更新
 //UNSAFE字段表示sun.misc.Unsafe类，一般程序中不允许直接调用
 private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;
 //表示parkBlocker在内存地址的偏移量
 private static final long parkBlockerOffset;
 //表示threadLocalRandomSeed在内存地址的偏移量，此变量的作用暂时还不了解
 private static final long SEED;
 //表示threadLocalRandomProbe在内存地址的偏移量，此变量的作用暂时还不了解
 private static final long PROBE;
 //表示threadLocalRandomSecondarySeed在内存地址的偏移量
 // 作用是 可以通过nextSecondarySeed()方法来获取随机数
 private static final long SECONDARY;
}

变量是如何获取其实例对象的？

public class LockSupport {
 static {
     try {
         //实例化unsafe对象
         UNSAFE = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
         Class<?> tk = Thread.class;
         //利用unsafe对象来获取parkBlocker在内存地址的偏移量
         parkBlockerOffset = UNSAFE.objectFieldOffset(tk.getDeclaredField("parkBlocker"));
         //利用unsafe对象来获取threadLocalRandomSeed在内存地址的偏移量
         SEED = UNSAFE.objectFieldOffset(tk.getDeclaredField("threadLocalRandomSeed"));
         //利用unsafe对象来获取threadLocalRandomProbe在内存地址的偏移量  
         PROBE = UNSAFE.objectFieldOffset(tk.getDeclaredField("threadLocalRandomProbe"));
         //利用unsafe对象来获取threadLocalRandomSecondarySeed在内存地址的偏移量  
         SECONDARY = UNSAFE.objectFieldOffset(tk.getDeclaredField("threadLocalRandomSecondarySeed"));
     } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
 }
}

由上面代码可知这些变量是通过static代码块在类加载的时候就通过unsafe对象获取其在内存地址的偏移量了。

3.2 构造方法

public class LockSupport {
 //LockSupport只有一个私有构造函数，无法被实例化。
 private LockSupport() {} // Cannot be instantiated.
}

3.3 两个特殊的方法

public class LockSupport {
 //设置线程t的parkBlocker字段的值为arg
 private static void setBlocker(Thread t, Object arg) {
     // Even though volatile, hotspot doesn't need a write barrier here.
     //尽管hotspot易变，但在这里并不需要写屏障。
     UNSAFE.putObject(t, parkBlockerOffset, arg);
 }
 //获取当前线程的Blocker值
 public static Object getBlocker(Thread t) {
     //若当前线程为空就抛出异常
     if (t == null)
         throw new NullPointerException();
     //利用unsafe对象获取当前线程的Blocker值 
     return UNSAFE.getObjectVolatile(t, parkBlockerOffset);
 }
}

3.4 常用方法

1、`unpark(Thread thread)`方法

public class LockSupport {
 //释放该线程的阻塞状态，即类似释放锁，只不过这里是将许可设置为1
 public static void unpark(Thread thread) {
     //判断线程是否为空
     if (thread != null)
         //释放该线程许可
         UNSAFE.unpark(thread);
 }
}

2、`park(Object blocker)`方法和 `park()`方法

public class LockSupport {
 //阻塞当前线程，并且将当前线程的parkBlocker字段设置为blocker
 public static void park(Object blocker) {
     //获取当前线程
     Thread t = Thread.currentThread();
     //将当前线程的parkBlocker字段设置为blocker
     setBlocker(t, blocker);
     //阻塞当前线程，第一个参数表示isAbsolute，是否为绝对时间，第二个参数就是代表时间
     UNSAFE.park(false, 0L);
     //重新可运行后再此设置Blocker
     setBlocker(t, null);
 }
 //无限阻塞线程，直到有其他线程调用unpark方法
 public static void park() {
     UNSAFE.park(false, 0L);
 }   
}

说明：

调用park函数时，首先获取当前线程，然后设置当前线程的parkBlocker字段，即调用setBlocker函数，之后调用Unsafe类的park函数，之后再调用setBlocker函数。

park(Object blocker)函数中要调用两次setBlocker函数
1、调用park函数时，当前线程首先设置好parkBlocker字段，然后再调用 Unsafe的park函数，此时，当前线程就已经阻塞了，等待该线程的unpark函数被调用，所以后面的一个 setBlocker函数无法运行，unpark函数被调用，该线程获得许可后，就可以继续运行了，也就运行第二个 setBlocker，把该线程的parkBlocker字段设置为null，这样就完成了整个park函数的逻辑。
2、如果没有第二个 setBlocker，那么之后没有调用park(Object blocker)，而直接调用getBlocker函数，得到的还是前一个 park(Object blocker)设置的blocker，显然是不符合逻辑的。总之，必须要保证在park(Object blocker)整个函数执行完后，该线程的parkBlocker字段又恢复为null。

所以，park(Object)型函数里必须要调用setBlocker函数两次。

3、`parkNanos(Object blocker, long nanos)`方法和 `parkNanos(long nanos)`方法

public class LockSupport {
    //阻塞当前线程nanos秒
    public static void parkNanos(Object blocker, long nanos) {
        //先判断nanos是否大于0，小于等于0都代表无限等待
        if (nanos > 0) {
            //获取当前线程
            Thread t = Thread.currentThread();
            //将当前线程的parkBlocker字段设置为blocker
            setBlocker(t, blocker);
            //阻塞当前线程现对时间的nanos秒
            UNSAFE.park(false, nanos);
            //将当前线程的parkBlocker字段设置为null
            setBlocker(t, null);
        }
    }   
    //阻塞当前线程nanos秒，现对时间
    public static void parkNanos(long nanos) {
        if (nanos > 0)
            UNSAFE.park(false, nanos);
    }   
}

4、`parkUntil(Object blocker, long deadline)`方法和 `parkUntil(long deadline)`方法

public class LockSupport {
    //将当前线程阻塞绝对时间的deadline秒，并且将当前线程的parkBlockerOffset设置为blocker
    public static void parkUntil(Object blocker, long deadline) {
        //获取当前线程
        Thread t = Thread.currentThread();
        //设置当前线程parkBlocker字段设置为blocker
        setBlocker(t, blocker);
        //阻塞当前线程绝对时间的deadline秒
        UNSAFE.park(true, deadline);
        //当前线程parkBlocker字段设置为null
        setBlocker(t, null);
    }
    //将当前线程阻塞绝对时间的deadline秒
    public static void parkUntil(long deadline) {
        UNSAFE.park(true, deadline);
    }   
}

总结：

LockSupport 和 CAS 是Java并发包中很多并发工具控制机制的基础，它们底层其实都是依赖Unsafe实现。很多锁的类都是基于LockSupport的park和unpark来实现的，所以了解LockSupport类是非常重要的。

LockSupport的park和unpark

前言