并发番@LockSupport一文通（1.8版）

JAVA 并发 源码 1.8版

• 感谢 Java并发包源码学习之AQS框架（三）LockSupport和interrupt

1.LockSupport综述

• 定义： LockSupport是一个线程阻塞工具类，可用于在线程内任意位置让线程阻塞和释放
• 作用： LockSupport通常不会被直接使用，更多是作为锁实现的基础工具类
• 实现： LockSupport底层依赖UnSafe实现，即park()和unpark()原语方法，通过"许可"替代状态
• 使用： park方法用于线程等待"许可"，unpark方法用于为线程提供"许可"
• 补充1：由于"许可"的存在，当出现一个线程调用park方法，其他线程调用unpark方法时，会保持活跃
• 补充2：若开JVM篇的话笔者会从JVM源码角度再次解析park和unpark的底层实现，其实质用mutex和condition维护一个_counter(park->0，unpark->1)的变量，即"许可"是一次性的
• 补充3：此番为 并发番@AQS框架一文通（1.8版）(赶制中)的子番

2.LockSupport的数据结构

2.1 类定义

public class LockSupport 

2.2 构造器

//私有构造器，不能被实例化 -- 实质就是个工作类，只能调用静态方法
private LockSupport() {} // Cannot be instantiated.

2.3 UnSafe

// Hotspot implementation via intrinsics API
private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;
//用于记录线程被谁阻塞的，用于线程监控和分析工具来定位原因，其表示parkBlocker在内存的偏移量
//之所以用偏移量是因为parkBlockerOffset被赋值时线程必须是阻塞的，阻塞时直接调方法无效只能走内存
private static final long parkBlockerOffset;
private static final long SEED;
private static final long PROBE;
private static final long SECONDARY;
static {
    try {
        UNSAFE = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
        Class<?> tk = Thread.class;
        //获取指定变量的内存偏移量
        parkBlockerOffset = UNSAFE.objectFieldOffset
            (tk.getDeclaredField("parkBlocker"));
        SEED = UNSAFE.objectFieldOffset
            (tk.getDeclaredField("threadLocalRandomSeed"));
        PROBE = UNSAFE.objectFieldOffset
            (tk.getDeclaredField("threadLocalRandomProbe"));
        SECONDARY = UNSAFE.objectFieldOffset
            (tk.getDeclaredField("threadLocalRandomSecondarySeed"));
    } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}

2.4 permit(许可)

• LockSupport和每个使用它的线程都与一个permit关联，某种意义上可认为是Semaphore类，但区别于Semaphores，permit至多只有一个，并不能被累加（即重复调动unpark也不会累加，最多为1）
• permit相当于一个开关(只有0和1两个值)，默认为0，执行过程如下：
  
  • 调用unpark方法，permit+1，即permit=1
  • 调用park方法，permit被消费-1，即permit=0，同时park方法理解返回
  • 再次调用park方法，线程会被阻塞(此时permit=0，线程无许可可用，直到permit=1之前都会被阻塞)

3 LockSupport重要方法

3.1 setBlocker方法

/**
 * Returns the blocker object supplied to the most recent
 * invocation of a park method that has not yet unblocked, or null
 * if not blocked.  The value returned is just a momentary
 * snapshot -- the thread may have since unblocked or blocked on a
 * different blocker object.
 *  返回提供给最近一次尚未解除阻塞的被park方法调用的blocker对象，如果该调用未阻塞，则返回null
 * @param t the thread
 * @return the blocker
 * @throws NullPointerException if argument is null
 * @since 1.6
 */
public static Object getBlocker(Thread t) {
    if (t == null)
        throw new NullPointerException();
    return UNSAFE.getObjectVolatile(t, parkBlockerOffset);
}
/**
  * This object is recorded while the thread is blocked to permit monitoring and diagnostic 
  * tools to identify the reasons that threads are blocked.
  * 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
  */
private static void setBlocker(Thread t, Object arg) {
    // Even though volatile, hotspot doesn't need a write barrier here.
    UNSAFE.putObject(t, parkBlockerOffset, arg);
}

• 测试一下设置blocker是否有区别

public static void main(String[] args) {
    new Thread(() -> LockSupport.park(),"sally").start();
    new Thread(() -> LockSupport.park(LockSupport.getBlocker(Thread.currentThread())),"kira").start();
    while (true);
}

• 通过线程Dump查看一下，可以很明显的看到阻塞的堆栈信息，但其实信息是差不多一样的

3.2 park方法

• 作用：该方法用于等待"许可"，调用时可能发生以下两种情况：
  
  • 当"许可"可用时，立即返回并且消费这个许可(将许可变成不可用)
  • 当"许可"不可用时，当前线程可能被阻塞 java.lang.Thread.State : WAITING parking
• 使用： 由于park方法可能在任何时候"无理由"返回，因此通常会在循环中使用(在返回之前再次检查条件)
• 适用： park方法是"busy wait"(忙碌等待)的一种优化(即不需要在自旋上浪费太多时间)，但它必须与unpark配对使用才更高效
• 注意： park方法的许可默认是被占用的，在unpark之前调用会获取不到许可而被阻塞

public static void park() {
    UNSAFE.park(false, 0L);
}
//纳秒级超时返回
public static void parkNanos(long nanos) {
    if (nanos > 0)
        UNSAFE.park(false, nanos);
}
//毫秒级限时等待
//注意这里的时间需要使用系统时间加上需要等待的时间
//LockSupport.parkUntil(System.currentTimeMillis() + 3000);
public static void parkUntil(long deadline) {
    UNSAFE.park(true, deadline);
}
//三种形式的 park 还各自支持一个 blocker 对象参数
//建议最好使用这些形式，而不是不带此参数的原始形式
//在锁实现中提供的作为 blocker 的普通参数是 this
public static void park(Object blocker) {
    Thread t = Thread.currentThread();
    setBlocker(t, blocker);
    UNSAFE.park(false, 0L);
    setBlocker(t, null);
}
public static void parkNanos(Object blocker, long nanos) {
    if (nanos > 0) {
        Thread t = Thread.currentThread();
        setBlocker(t, blocker);
        UNSAFE.park(false, nanos);
        setBlocker(t, null);
    }
}
public static void parkUntil(Object blocker, long deadline) {
    Thread t = Thread.currentThread();
    setBlocker(t, blocker);
    UNSAFE.park(true, deadline);
    setBlocker(t, null);
}

3.3 unpark方法

• 作用： 该方法用于提供"许可"，会将还不可用的"许可"变成可用
• 注意： 由于park方法默认是许可占有并阻塞线程，因此调用park之前最好先调用unpark(当然因为park\unpark的顺序解耦性，所以前后执行顺序无所谓，只是代码上最好遵循 先释放再获取 的规则)

/**
  * 注意：必须指定一个线程(但无所谓该线程是否park)，将尝试释放其可能拥有的许可
  */
public static void unpark(Thread thread) {
    if (thread != null)
        UNSAFE.unpark(thread);
}

4.LockSupport不可重入

• 不可重入： LockSupport不可重入，当一个线程多次调用park方法，线程将被第二个park方法阻塞

public static void main(String[] args) {
    LockSupport.unpark(Thread.currentThread());//我们直接用主线程
    System.out.println("执行unpark");
    LockSupport.park();
    System.out.println("执行第一次park");
    LockSupport.park();
    System.out.println("执行第二次park");
    while (true);
}
---------------------
//输出：
执行unpark
执行第一次park
//分析：通过打印结果可以发现第7行其实并没有被打印，根据下面的图片可以看到线程在第7行(对应图片的第16行)上阻塞

• 使用jstack命令查看一下线程状态，会发现线程是WAITING状态，即等待阻塞，而且还是被park方法阻塞

5.LockSupport与中断

• 中断响应： LockSupport支持中断响应，线程调用park阻塞时仍能够响应中断请求，但不会抛出InterruptedException异常

public static void main(String[] args) {
    Thread thread = new Thread(() -> {
        long start = System.currentTimeMillis();
        while ((System.currentTimeMillis() - start) <= 1000);//空转1s
        System.out.println("空转1s结束");
        LockSupport.park();//等待"许可"
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "是否被中断：" 
            + Thread.currentThread().isInterrupted());
    },"kira");
    thread.start();
    thread.interrupt();//中断线程
}
---------------------
//输出：
空转1s结束
kira是否被中断：true
//分析：通过先中断线程再park可以发现可获取中断响应，同时并没有抛出任何异常

6. suspend() vs wait() vs park()

6.1 suspend() vs wait()

• suspend()不会释放锁，wait()会释放锁同时还支持超时处理

6.2 park() vs suspend()

• LockSupport解决了suspend()不释放锁从而容易死锁的问题，比如resume()方法被阻塞时，即其他线程在调用resume()方法之前获取同步锁时被阻塞而导致resume()方法无法执行进而导致死锁

6.3 park() vs wait()

• LockSupport不需要先获得某个对象的锁，也不会排除InterruptedException异常
• unpark方法可以先于park方法调用，其没有方法调用的时序问题
• wait/notify机制有个问题在于线程调用notify方法去唤醒其他线程时，需要保证需被唤醒线程必须被wait方法阻塞，否则被唤醒线程会永远处于WAITING状态，同时notify方法只能唤醒一个线程，当同时有多个线程在同一个对象上wait等待，就只能有一个线程可以被唤醒(不能指定)
• park/unpark机制通过引入单个"许可"的概念实现对线程同步的解耦，线程间无须关心对方的状态，因为不需要一个变量专门用于存储状态

7.LockSupport官方标准用法

7.1 标准用法

//官方提供的标准用法
while (!canProceed()) { ... LockSupport.park(this); }}

7.2 FIFOMutex

/**
  * Here is a sketch of a first-in-first-out non-reentrant lock class:
  * 官方提供了一个FIFO先进先出的非重入锁实现Demo
  */
class FIFOMutex {
    private final AtomicBoolean locked = new AtomicBoolean(false);//锁标记
    private final Queue<Thread> waiters
      = new ConcurrentLinkedQueue<Thread>();//无界线程安全队列，存放等待线程
    public void lock() {
        boolean wasInterrupted = false;//标记中断
        Thread current = Thread.currentThread();
        waiters.add(current);//添加当前线程到队尾(FIFO)
        // Block while not first in queue or cannot acquire lock
        //阻塞条件：当前线程非队列首元素(FIFO) or 没有获得锁
        while (waiters.peek() != current ||
            !locked.compareAndSet(false, true)) {
            LockSupport.park(this);
            //补充一点：调用interrupted方法会将线程真正的中断状态清除，连续调用会返回false
            //这里的作用主要用于在park调用时线程阻塞过程中忽略中断带来的其他影响
            if (Thread.interrupted()) // ignore interrupts while waiting
                wasInterrupted = true;//当前线程若被中断，需要重新标记中断状态
        }
        //当能够获取锁后，将首元素移除(FIFO)，立即返回
        waiters.remove();
        if (wasInterrupted)          // reassert interrupt status on exit
            current.interrupt();//若线程被标记为中断，需要重新声明为中断状态
    }
    public void unlock() {
      locked.set(false);//解锁
      LockSupport.unpark(waiters.peek());//解除队列首元素的阻塞，FIFO
    }
}

8.LockSupport vs Object

这里主要是对比 LockSuppor.park/unpark() 与 object.wait/notify() 的区别：

面向对象不同：前者能够主动指定Thread；后者必须被动执行且不能准确指定，具有随机性

监视器是否必须：前者由于只需要"许可"，因此无需监视器；后者能使用的前提是必须获取监视器，即wait/notify()必须出现在synchronized作用范围内

实现机制不同：前者使用的是"许可"，后者使用的监视器，两者无交集，互相不会影响

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