本篇是《自己动手写把"锁"》系列技术铺垫的最后一个知识点。本篇主要讲解LockSupport工具类,它用来实现线程的挂起和唤醒。

LockSupport是Java6引入的一个工具类,它简单灵活,应用广泛。

一、简单

俗话说,没有比较就没有伤害。这里咱们还是通过对比来介绍LockSupport的简单。

在没有LockSupport之前,线程的挂起和唤醒咱们都是通过Object的wait和notify/notifyAll方法实现。

写一段例子代码,线程A执行一段业务逻辑后调用wait阻塞住自己。主线程调用notify方法唤醒线程A,线程A然后打印自己执行的结果。

public class TestObjWait {

    public static void main(String[] args)throws Exception {
        final Object obj = new Object();
        Thread A = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                int sum = 0;
                for(int i=0;i<10;i++){
                    sum+=i;
                }
                try {
                    obj.wait();
                }catch (Exception e){
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(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);
        obj.notify();
    }
}

执行这段代码,不难发现这个错误:

Exception in thread "main" java.lang.IllegalMonitorStateException
    at java.lang.Object.notify(Native Method)

原因很简单,wait和notify/notifyAll方法只能在同步代码块里用(这个有的面试官也会考察)。所以将代码修改为如下就可正常运行了:

public class TestObjWait {

    public static void main(String[] args)throws Exception {
        final Object obj = new Object();
        Thread A = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                int sum = 0;
                for(int i=0;i<10;i++){
                    sum+=i;
                }
                try {
                    synchronized (obj){
                        obj.wait();
                    }
                }catch (Exception e){
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(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();
        }
    }
}

那如果咱们换成LockSupport呢?简单得很,看代码:

public class TestObjWait {

    public static void main(String[] args)throws Exception {
        Thread A = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                int sum = 0;
                for(int i=0;i<10;i++){
                    sum+=i;
                }
                LockSupport.park();
                System.out.println(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);
    }
}
直接调用就可以了,没有说非得在同步代码块里才能用。简单吧。

二、灵活

如果只是LockSupport在使用起来比Object的wait/notify简单,那还真没必要专门讲解下LockSupport。最主要的是灵活性。

上边的例子代码中,主线程调用了Thread.sleep(1000)方法来等待线程A计算完成进入wait状态。如果去掉Thread.sleep()调用,代码如下:

public class TestObjWait {

    public static void main(String[] args)throws Exception {
        final Object obj = new Object();
        Thread A = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                int sum = 0;
                for(int i=0;i<10;i++){
                    sum+=i;
                }
                try {
                    synchronized (obj){
                        obj.wait();
                    }
                }catch (Exception e){
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(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();
        }
    }
}

多运行几次上边的代码,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不是后台线程,所以整个程序无法退出。

那如果换做LockSupport呢?LockSupport就支持主线程先调用unpark后,线程A再调用park而不被阻塞吗?是的,没错。代码如下:

public class TestObjWait {

    public static void main(String[] args)throws Exception {
        final Object obj = new Object();
        Thread A = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                int sum = 0;
                for(int i=0;i<10;i++){
                    sum+=i;
                }
                LockSupport.park();
                System.out.println(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);
    }
}

不管你执行多少次,这段代码都能正常打印结果并退出。这就是LockSupport最大的灵活所在。

总结一下,LockSupport比Object的wait/notify有两大优势

①LockSupport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了,实现了线程间的解耦。

②unpark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。

三、应用广泛

LockSupport在Java的工具类用应用很广泛,咱们这里找几个例子感受感受。以Java里最常用的类ThreadPoolExecutor为例。先看如下代码:

public class TestObjWait {

    public static void main(String[] args)throws Exception {
        ArrayBlockingQueue<Runnable> queue = new ArrayBlockingQueue<Runnable>(1000);
        ThreadPoolExecutor poolExecutor = new ThreadPoolExecutor(5,5,1000, TimeUnit.SECONDS,queue);

        Future<String> future = poolExecutor.submit(new Callable<String>() {
            @Override
            public String call() throws Exception {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
                return "hello";
            }
        });
        String result = future.get();
        System.out.println(result);
    }
}

代码中我们向线程池中扔了一个任务,然后调用Future的get方法,同步阻塞等待线程池的执行结果。

这里就要问了:get方法是如何组塞住当前线程?线程池执行完任务后又是如何唤醒线程的呢?

咱们跟着源码一步步分析,先看线程池的submit方法的实现:

在submit方法里,线程池将我们提交的基于Callable实现的任务,封装为基于RunnableFuture实现的任务,然后将任务提交到线程池执行,并向当前线程返回RunnableFutrue。

进入newTaskFor方法,就一句话:return new FutureTask<T>(callable);

所以,咱们主线程调用future的get方法就是FutureTask的get方法,线程池执行的任务对象也是FutureTask的实例。

接下来看看FutureTask的get方法的实现:

比较简单,就是判断下当前任务是否执行完毕,如果执行完毕直接返回任务结果,否则进入awaitDone方法阻塞等待。

awaitDone方法里,首先会用到上节讲到的cas操作,将线程封装为WaitNode,保持下来,以供后续唤醒线程时用。再就是调用了LockSupport的park/parkNanos组塞住当前线程。

上边已经说完了阻塞等待任务结果的逻辑,接下来再看看线程池执行完任务,唤醒等待线程的逻辑实现。

前边说了,咱们提交的基于Callable实现的任务,已经被封装为FutureTask任务提交给了线程池执行,任务的执行就是FutureTask的run方法执行。如下是FutureTask的run方法:

c.call()就是执行我们提交的任务,任务执行完后调用了set方法,进入set方法发现set方法调用了finishCompletion方法,想必唤醒线程的工作就在这里边了,看看代码实现吧:

没错就在这里边,先是通过cas操作将所有等待的线程拿出来,然后便使用LockSupport的unpark唤醒每个线程。

在使用线程池的过程中,不知道你有没有这么一个疑问:线程池里没有任务时,线程池里的线程在干嘛呢?

看过我的这篇文章《线程池的工作原理与源码解读》的读者一定知道,线程会调用队列的take方法阻塞等待新任务。那队列的take方法是不是也跟Future的get方法实现一样呢?咱们来看看源码实现。

以ArrayBlockingQueue为例,take方法实现如下:

与想象的有点出入,他是使用了Lock的Condition的await方法实现线程阻塞。但当我们继续追下去进入await方法,发现还是使用了LockSupport:

限于篇幅,jdk里的更多应用就不再追下去了。

四、LockSupport的实现

学习要知其然,还要知其所以然。接下来不妨看看LockSupport的实现。

进入LockSupport的park方法,可以发现它是调用了Unsafe的park方法,这是一个本地native方法,只能通过openjdk的源码看看其本地实现了。

它调用了线程的Parker类型对象的park方法,如下是Parker类的定义:

类中定义了一个int类型的_counter变量,咱们上文中讲灵活性的那一节说,可以先执行unpark后执行park,就是通过这个变量实现,看park方法的实现代码(由于方法比较长就不整体截图了):

park方法会调用Atomic::xchg方法,这个方法会原子性的将_counter赋值为0,并返回赋值前的值。如果调用park方法前,_counter大于0,则说明之前调用过unpark方法,所以park方法直接返回。

接着往下看:

实际上Parker类用Posix的mutex,condition来实现的阻塞唤醒。如果对mutex和condition不熟,可以简单理解为mutex就是Java里的synchronized,condition就是Object里的wait/notify操作。

park方法里调用pthread_mutex_trylock方法,就相当于Java线程进入Java的同步代码块,然后再次判断_counter是否大于零,如果大于零则将_counter设置为零。最后调用pthread_mutex_unlock解锁,相当于Java执行完退出同步代码块。如果_counter不大于零,则继续往下执行pthread_cond_wait方法,实现当前线程的阻塞。

最后再看看unpark方法的实现吧,这块就简单多了,直接上代码:

图中的1和4就相当于Java的进入synchronized和退出synchronized的加锁解锁操作,代码2将_counter设置为1,同时判断先前_counter的值是否小于1,即这段代码:if(s<1)。如果不小于1,则就不会有线程被park,所以方法直接执行完毕,否则就会执行代码3,来唤醒被阻塞的线程。

通过阅读LockSupport的本地实现,我们不难发现这么个问题:多次调用unpark方法和调用一次unpark方法效果一样,因为都是直接将_counter赋值为1,而不是加1。简单说就是:线程A连续调用两次LockSupport.unpark(B)方法唤醒线程B,然后线程B调用两次LockSupport.park()方法, 线程B依旧会被阻塞。因为两次unpark调用效果跟一次调用一样,只能让线程B的第一次调用park方法不被阻塞,第二次调用依旧会阻塞。

到这里,自己实现一把“锁”用到的技术点都已经介绍完了,甚至本节还介绍了锁的具体实现,相信即使没有最后一篇介绍怎么实现“锁”,大家也能动手写个锁了。

如果没有看过之前的文章,可以先看之前这几篇:

自己动手写把”锁”之---锁的作用

自己动手写把”锁”之---JMM和volatile

自己动手写把”锁”---原子性操作

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