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线程的阻塞和唤醒

Java的线程阻塞和唤醒是通过Unsafe类的park和unpark方法做到的。

两个方法都是native方法,本身由c实现的核心功能。

  • park:是让当前运行的线程Thread.currentThread()休眠。
  • unpark:是唤醒指定线程。

两个方法底层使用操作系统提供的信号量机制来实现。

park方法有两个参数来控制休眠多长时间,第一个参数isAbsolute表示第二个参数是绝对时间还是相对时间,单位是毫秒。

线程从启动开始就一直跑,除了操作系统的任务调度策略外,只有在调用park时候才会暂停运行。锁可以暂停线程的奥秘就是因为锁在底层调用来park方法。

Thread内部有个parkBlocker属性,保存来当前线程因为什么而park。起到一系列冲突线程的管理的协调者,哪个线程该休眠该唤醒都是由他来控制的。

当线程被unpark唤醒后,这个属性设置为null。LockSupport可以对Unsafe的park和unpark调用设置parkBlocker属性。

Java的锁数据结构是通过调用LockSupport来实现休眠和唤醒的。线程对象里面的parkBlocker字段值是排队管理器。

  • 当多个线程争用一把锁时,必须排队机制将那些没能取得锁的线程串在一起。
  • 当释放锁时,锁管理器就会挑选一个合适的线程来占有这个刚刚释放的锁。
  • 每一把锁内部都会有这样一个队列管理器,管理器维护一个等待的线程队列。
  • ReentrantLock里面的队列管理器是AbstractQueuedSynchronizer,内部的等待队列是一个双向列表结构。
  • 加锁不成功时,当前线程会把自己放入等待队列尾部,然后调用LockSupport.park将自己休眠。
  • 其他线程解锁时,会从链表表头取一个节点,调用LockSupport.unpark唤醒它。

AbstractQueuedSynchronizer

AbstractQueuedSynchronizer类是一个抽象类,所有的锁队列管理的父类,JDK中的各种形式的锁内部队列都继承这个类,是Java并发世界的基石。Java中的并发工具类都需要进行一些方法抽象,需要对这个管理器进行定制,并发数据结构都是在这些锁保护下完成的。

锁管理器维护是一个普通的双向列表形式的队列,这个数据结构很简单,但仔细维护起来相当复杂,因为需要考虑多线程并发问题。

公平锁和非公平锁

公平锁是确保请求锁和获取锁的顺序相同,公平锁会排队,非公平锁会插队。

线程在执行Lock.park方法时会自我休眠,并不是非得等到其他线程unpark了才会唤醒,它可能因为某种未知原因醒来,park返回原因有四种:

  • 其他线程unpark了当前线程。
  • 时间到了自然醒(park的实现参数)。
  • 其他线程interrupt了当前线程。
  • 其他未知原因导致了假醒。

也就是说当park方法返回时并不意味锁自由了,醒过来的线程在重新尝试获取锁失败后将会在此park自己。所以在加锁过程需要写在一个循环里,在成功拿到锁之前可能多次尝试。

非公平锁的服务效率高于公平锁,所以默认锁都是非公平的。当然为了避免混乱可以采用公平锁。

共享锁和排它锁

  • ReentrantLock是排它锁,一个线程持有,其他线程必须等待。
  • ReadWriteLock里面的读锁不是排它锁,运行多个线程同时持有读锁,这是共享锁,共享锁和排它锁是通过Node类里面的nextWaiter字段区分的。

加锁之前的循环重试中需要间隔sleep(1),不然cpu就会因为空转而飚高。

但是sleep多久不好控制,间隔久类,会拖慢整体效率,甚至错过时机,时间太短,导致cpu空转。可以引入signal()和await()方法,当条件满足时,调用signal()或者signalAll()方法,阻塞的线程可以立即被唤醒几乎没有任何延迟。

如果在循环加锁过程中被其他线程打断了,线程需要给自己设置一个打断标识位。

当线程park醒来后调用Thread.interrupted()就知道自己释放被打断了,但是这个方法只能调用一次,因为在调用之后立即clear打断标识位。

AQS队列的管理为解决多线程并发,在代码中会使用CAS操作队尾指针,没有竞争到的线程会继续下一轮竞争。

Java并发能力的基石是park和unpark方法,volatile变量,synchronized,cas操作和aqs队列。


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原始发表时间:2019-08-09

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