LockSupport类为构建锁和同步器提供了基本的线程阻塞唤醒原语,JDK中我们熟悉的AQS基础同步类就使用了它来控制线程的阻塞和唤醒,当然还有其他的同步器或锁也会使用它。也许我们更加熟悉的阻塞唤醒操作是wait/notify方式,它主要以Object的角度来设计。而LockSupport提供的park/unpark则是以线程的角度来设计,真正解耦了线程之间的同步。为了更好地理解JDK的这些并发工具,我们需要具体分析一下该类的实现。该类主要包含两种操作,分别为阻塞操作和唤醒操作。
LockSupport类
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LockSupport 核心方法
通过下面的思维导图来看LockSupport类的几个核心方法,总体可以分为以park开头的方法和unpark方法。park开头的方法用于执行阻塞操作,它又分为两类:参数包含阻塞对象和参数不包含阻塞对象。下面对每个方法进行说明。
核心方法
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许可机制
在介绍核心方法时出现了一个高频的词——许可,那么什么是许可呢?其实很容易理解,线程成功拿到许可则能够往下执行,否则将进入阻塞状态。对于LockSupport使用的许可可看成是一种二元信号,该信号分有许可和无许可两种状态。每个线程都对应一个信号变量,当线程调用park时其实就是去获取许可,如果能成功获取到许可则能够往下执行,否则则阻塞直到成功获取许可为止。而当线程调用unpark时则是释放许可,供线程去获取。如下图所示,每个线程都对应一个信号,其中有许可用和无许可分别用1和0来表示。刚开始四个线程调用park方法,因为无许可而都处于阻塞状态。接着假如线程一和线程四的信号变为有许可,则它们都能继续往下执行。最后线程一和线程四获取许可后,其信号又变为无许可。
许可机制
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LockSupport 例子
下面看一个通过LockSupport来进行阻塞和唤醒的例子,主线程分别创建thread1和thread2,然后先启动thread1,thread1,调用LockSupport.park()方法进入阻塞状态。接着主线程睡眠三秒后启动thread2,thread2会调用LockSupport.unpark(thread1)方法让thread1得到许可,即唤醒thread1。最终thread1被唤醒,输出"thread2 wakes up thread1"。
LockSupport例子
需要注意的是在调用LockSupport的park方法时一般会使用while(condition)循环体,如下方框的代码所示,这样能保证在线程被唤醒后再一次判断条件是否符合。
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park 与 unpark 的顺序
下面来探讨LockSupport的park和unpark的执行顺序的问题。正常来说一般是先park线程阻塞,然后unpark来唤醒该线程。但是如果先执行unpark再执行park,会不会park就永远没办法被唤醒了呢?在往下分析之前我们先来看看wait/notify方式的执行顺序例子。主线程分别创建了thread1和thread2,然后启动它们。由于thread1会睡眠三秒,所以先由thead2执行了notify去唤醒阻塞在锁对象的线程,而在三秒后thread1才会执行wait方法,此时它将一直阻塞在那里。所以wait/notify方式的执行顺序会影响到唤醒。
顺序影响唤醒
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Park 对中断的响应
park方法支持中断,也就是说一个线程调用park方法进入阻塞后,如果该线程被中断则能够解除阻塞立即返回。但需要注意的是,它不会抛出中断异常,所以我们不必去捕获InterruptedException。下面是一个中断的例子,thread1启动后调用park方法进入阻塞状态,然后主线程睡眠一秒后中断thread1,此时thread1将解除阻塞状态并输出null。接着主线程睡眠三秒后启动thread2,thread2将调用unpark,但thread1已经因中断而解除阻塞了。
park的中断
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park 是否释放锁
我们再思考一个问题,当线程调用LockSupport的park方法时是否会释放该线程所持有的锁资源呢?答案是不会。我们看下面的例子来理解,thread1和thread2两个线程都通过synchronized(lock)来获取锁。由于thread1先启动所以获得锁,而且它调用park方法使得thread1进入阻塞状态,但是thread1却不会释放锁lock。对于thread2这边,因为一直无法获取锁而无法进入同步块,也就没办法执行unpark操作。最终的结果就是造成了死锁,thread1在等thread2的unpark,而thread2却在等thread1释放锁。
park不释放锁
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park 是否释放锁
我们再思考一个问题,当线程调用LockSupport的park方法时是否会释放该线程所持有的锁资源呢?答案是不会。我们看下面的例子来理解,thread1和thread2两个线程都通过synchronized(lock)来获取锁。由于thread1先启动所以获得锁,而且它调用park方法使得thread1进入阻塞状态,但是thread1却不会释放锁lock。对于thread2这边,因为一直无法获取锁而无法进入同步块,也就没办法执行unpark操作。最终的结果就是造成了死锁,thread1在等thread2的unpark,而thread2却在等thread1释放锁。
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park 与 unpark 的顺序
实际上LockSupport的实现很简单,如果用一句话来概括就是间接调用Unsafe的方法。Unsafe类提供了很多底层的和不安全的操作,主要用了它park、unpark和putObject三类方法,park和unpark方法可以看出是对底层线程进行操作,而putObject方法则是将对象设置为Thread对象里面的parkBlocker属性,getObjectVolatile方法则是获取Thread对象里面的parkBlocker属性值。
类似地,我们队park和unpark进行分析。这个例子与上面的wait/notify例子逻辑几乎相同,唯一不同的是阻塞和唤醒操作改为了park和unpark。实际上这个例子能正确运行,且最终输出了“thread2 wakes up thread1”。从此可以看出park/unpark方式的执行顺序不影响唤醒,这是因为park/unpark是使用了许可机制,如果先调用unpark去释放许可,那么调用park时就直接能获取到许可而不必等待。
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park 对立中断的响应
park方法支持中断,也就是说一个线程调用park方法进入阻塞后,如果该线程被中断则能够解除阻塞立即返回。但需要注意的是,它不会抛出中断异常,所以我们不必去捕获InterruptedException。下面是一个中断的例子,thread1启动后调用park方法进入阻塞状态,然后主线程睡眠一秒后中断thread1,此时thread1将解除阻塞状态并输出null。接着主线程睡眠三秒后启动thread2,thread2将调用unpark,但thread1已经因中断而解除阻塞了。
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park 是否释放锁
我们再思考一个问题,当线程调用LockSupport的park方法时是否会释放该线程所持有的锁资源呢?答案是不会。我们看下面的例子来理解,thread1和thread2两个线程都通过synchronized(lock)来获取锁。由于thread1先启动所以获得锁,而且它调用park方法使得thread1进入阻塞状态,但是thread1却不会释放锁lock。对于thread2这边,因为一直无法获取锁而无法进入同步块,也就没办法执行unpark操作。最终的结果就是造成了死锁,thread1在等thread2的unpark,而thread2却在等thread1释放锁。
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LockSupport的实现
实际上LockSupport的实现很简单,如果用一句话来概括就是间接调用Unsafe的方法。Unsafe类提供了很多底层的和不安全的操作,主要用了它park、unpark和putObject三类方法,park和unpark方法可以看出是对底层线程进行操作,而putObject方法则是将对象设置为Thread对象里面的parkBlocker属性,getObjectVolatile方法则是获取Thread对象里面的parkBlocker属性值。
下面我们分析LockSupport类的实现,代码并非与JDK完全相同,但核心实现是一样的。该类中主要包含一个Unsafe对象和long变量,由于Java开发者无法直接通过new来实例化Unsafe对象,所以在static块中通过反射来获取Unsafe对象,而long变量表示Thread对象的parkBlocker属性的偏移,有了偏移就可以操作该属性。可以看到park、parkNanos和parkUntil三个方法都是间接调用了Unsafe对象的park方法。
继续看传入阻塞对象的情况,包括park、parkNonos和parkUntil三个方法,这三个方法都会先通过Thread.currentThread()获取当前线程对象,然后调用setBlocker将阻塞对象设置到Thread对象中的parkBlocker属性,接着调用Unsafe对象的park方法,最终调用setBlocker将Thread对象中的parkBlocker属性清空。注意这里的setBlocker方法间接调用了Unsafe对象的putObject方法,该方法能够通过属性偏移来修改属性值,而getBlocker方法则是间接调用Unsafe对象的getObjectVolatile方法来获取Thread对象的parkBlocker属性值。
unpark方法则是间接调用Unsafe对象的unpark方法
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总结
本文讲解了JDK并发包中锁支持类LockSupport,它主要的功能就是实现线程的阻塞和唤醒,而且使用了许可机制。它的核心方法包括六种park方法和unpark方法,然后通过例子我们了解了LockSupport的基本用法,接着探讨了park与unpark的执行顺序,然后继续分析了park对中断的响应和park时是否会释放锁,同时也介绍了阻塞对象Blocker以及它的作用。最后从源码角度剖析了LockSupport类的实现,至此我们已经完全掌握了LockSupport的机制原理。
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