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怎么手写Java LockSupport

前言在JDK当中给我们提供的各种并发工具当中,比如ReentrantLock等等工具的内部实现,经常会使用到一个工具,这个工具就是LockSupport。LockSupport给我们提供了一个非常强大的功能,它是线程阻塞最基本的元语,他可以将一个线程阻塞也可以将一个线程唤醒,因此经常在并发的场景下进行使用。LockSupport实现原理在了解LockSupport实现原理之前我们先用一个案例来了解一下LockSupport的功能!importjava.util.concurrent.TimeUnit;im

    前言

    在JDK当中给我们提供的各种并发工具当中,比如ReentrantLock等等工具的内部实现,经常会使用到一个工具,这个工具就是LockSupport。LockSupport给我们提供了一个非常强大的功能,它是线程阻塞最基本的元语,他可以将一个线程阻塞也可以将一个线程唤醒,因此经常在并发的场景下进行使用。

    LockSupport实现原理

    在了解LockSupport实现原理之前我们先用一个案例来了解一下LockSupport的功能!

    import java.util.concurrent.TimeUnit;
    import java.util.concurrent.locks.LockSupport;
     
    public class Demo {
     
      public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread = new Thread(() -> {
          System.out.println("park 之前");
          LockSupport.park(); // park 函数可以将调用这个方法的线程挂起
          System.out.println("park 之后");
        });
        thread.start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
        System.out.println("主线程休息了 5s");
        System.out.println("主线程 unpark thread");
        LockSupport.unpark(thread); // 主线程将线程 thread 唤醒 唤醒之后线程 thread 才可以继续执行
      }
    }

    上面的代码的输出如下:

    park 之前
    主线程休息了 5s
    主线程 unpark thread
    park 之后

    乍一看上面的LockSupport的park和unpark实现的功能和await和signal实现的功能好像是一样的,但是其实不然,我们来看下面的代码:

    import java.util.concurrent.TimeUnit;
    import java.util.concurrent.locks.LockSupport;
     
    public class Demo02 {
      public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread = new Thread(() -> {
          try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
          } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
          }
          System.out.println("park 之前");
          LockSupport.park(); // 线程 thread 后进行 park 操作 
          System.out.println("park 之后");
        });
        thread.start();
        System.out.println("主线程 unpark thread");
        LockSupport.unpark(thread); // 先进行 unpark 操作
     
      }
    }

    上面代码输出结果如下:

    主线程 unpark thread
    park 之前
    park 之后

    在上面的代码当中主线程会先进行unpark操作,然后线程thread才进行park操作,这种情况下程序也可以正常执行。但是如果是signal的调用在await调用之前的话,程序则不会执行完成,比如下面的代码:

    import java.util.concurrent.TimeUnit;
    import java.util.concurrent.locks.Condition;
    import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
     
    public class Demo03 {
     
      private static final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
      private static final Condition condition = lock.newCondition();
     
      public static void thread() throws InterruptedException {
        lock.lock();
     
        try {
          TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
          condition.await();
          System.out.println("等待完成");
        }finally {
          lock.unlock();
        }
      }
     
      public static void mainThread() {
        lock.lock();
        try {
          System.out.println("发送信号");
          condition.signal();
        }finally {
          lock.unlock();
          System.out.println("主线程解锁完成");
        }
      }
     
      public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(() -> {
          try {
            thread();
          } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
          }
        });
        thread.start();
     
        mainThread();
      }
    }

    上面的代码输出如下:

    发送信号
    主线程解锁完成

    在上面的代码当中“等待完成“始终是不会被打印出来的,这是因为signal函数的调用在await之前,signal函数只会对在它之前执行的await函数有效果,对在其后面调用的await是不会产生影响的。

    那是什么原因导致的这个效果呢?

    其实JVM在实现LockSupport的时候,内部会给每一个线程维护一个计数器变量_counter,这个变量是表示的含义是“许可证的数量”,只有当有许可证的时候线程才可以执行,同时许可证最大的数量只能为1。当调用一次park的时候许可证的数量会减一。当调用一次unpark的时候计数器就会加一,但是计数器的值不能超过1。

    当一个线程调用park之后,他就需要等待一个许可证,只有拿到许可证之后这个线程才能够继续执行,或者在park之前已经获得一个了一个许可证,那么它就不需要阻塞,直接可以执行。

    自己动手实现自己的LockSupport

    实现原理

    在前文当中我们已经介绍了locksupport的原理,它主要的内部实现就是通过许可证实现的:

    • 每一个线程能够获取的许可证的最大数目就是1。

    • 当调用unpark方法时,线程可以获取一个许可证,许可证数量的上限是1,如果已经有一个许可证了,那么许可证就不能累加。

    • 当调用park方法的时候,如果调用park方法的线程没有许可证的话,则需要将这个线程挂起,直到有其他线程调用unpark方法,给这个线程发放一个许可证,线程才能够继续执行。但是如果线程已经有了一个许可证,那么线程将不会阻塞可以直接执行。

    自己实现LockSupport协议规定

    在我们自己实现的Parker当中我们也可以给每个线程一个计数器,记录线程的许可证的数目,当许可证的数目大于等于0的时候,线程可以执行,反之线程需要被阻塞,协议具体规则如下:

    • 初始线程的许可证的数目为0。

    • 如果我们在调用park的时候,计数器的值等于1,计数器的值变为0,则线程可以继续执行。

    • 如果我们在调用park的时候,计数器的值等于0,则线程不可以继续执行,需要将线程挂起,且将计数器的值设置为-1。

    • 如果我们在调用unpark的时候,被unpark的线程的计数器的值等于0,则需要将计数器的值变为1。

    • 如果我们在调用unpark的时候,被unpark的线程的计数器的值等于1,则不需要改变计数器的值,因为计数器的最大值就是1。

    • 我们在调用unpark的时候,如果计数器的值等于-1,说明线程已经被挂起了,则需要将线程唤醒,同时需要将计数器的值设置为0。

    工具

    因为涉及线程的阻塞和唤醒,我们可以使用可重入锁ReentrantLock和条件变量Condition,因此需要熟悉这两个工具的使用。

    ReentrantLock 主要用于加锁和开锁,用于保护临界区。

    Condition.awat 方法用于将线程阻塞。

    Condition.signal 方法用于将线程唤醒。

    因为我们在unpark方法当中需要传入具体的线程,将这个线程发放许可证,同时唤醒这个线程,因为是需要针对特定的线程进行唤醒,而condition唤醒的线程是不确定的,因此我们需要为每一个线程维护一个计数器和条件变量,这样每个条件变量只与一个线程相关,唤醒的肯定就是一个特定的线程。我们可以使用HashMap进行实现,键为线程,值为计数器或者条件变量。

    具体实现

    因此综合上面的分析我们的类变量如下:

    private final ReentrantLock lock; // 用于保护临界去
    private final HashMap permits; // 许可证的数量
    private final HashMap conditions; // 用于唤醒和阻塞线程的条件变量

    构造函数主要对变量进行赋值:

    public Parker() {
      lock = new ReentrantLock();
      permits = new HashMap<>();
      conditions = new HashMap<>();
    }

    park方法

    public void park() {
      Thread t = Thread.currentThread(); // 首先得到当前正在执行的线程
      if (conditions.get(t) == null) { // 如果还没有线程对应的condition的话就进行创建
        conditions.put(t, lock.newCondition());
      }
      lock.lock();
      try {
        // 如果许可证变量还没有创建 或者许可证等于0 说明没有许可证了 线程需要被挂起
        if (permits.get(t) == null || permits.get(t) == 0) {
          permits.put(t, -1); // 同时许可证的数目应该设置为-1
          conditions.get(t).await();
        }else if (permits.get(t) > 0) {
          permits.put(t, 0); // 如果许可证的数目大于0 也就是为1 说明线程已经有了许可证因此可以直接被放行 但是需要消耗一个许可证
        }
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      } finally {
        lock.unlock();
      }
    }

    unpark方法

    public void unpark(Thread thread) {
      Thread t = thread; // 给线程 thread 发放一个许可证
      lock.lock();
      try {
        if (permits.get(t) == null) // 如果还没有创建许可证变量 说明线程当前的许可证数量等于初始数量也就是0 因此方法许可证之后 许可证的数量为 1
          permits.put(t, 1);
        else if (permits.get(t) == -1) { // 如果许可证数量为-1,则说明肯定线程 thread 调用了park方法,而且线程 thread已经被挂起了 因此在 unpark 函数当中不急需要将许可证数量这是为0 同时还需要将线程唤醒
          permits.put(t, 0);
          conditions.get(t).signal();
        }else if (permits.get(t) == 0) { // 如果许可证数量为0 说明线程正在执行 因此许可证数量加一
          permits.put(t, 1);
        } // 除此之外就是许可证为1的情况了 在这种情况下是不需要进行操作的 因为许可证最大的数量就是1
      }finally {
        lock.unlock();
      }
    }

    完整代码

    import java.util.HashMap;
    import java.util.concurrent.locks.Condition;
    import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
     
    public class Parker {
     
      private final ReentrantLock lock;
      private final HashMap permits;
      private final HashMap conditions;
     
      public Parker() {
        lock = new ReentrantLock();
        permits = new HashMap<>();
        conditions = new HashMap<>();
      }
     
      public void park() {
        Thread t = Thread.currentThread();
        if (conditions.get(t) == null) {
          conditions.put(t, lock.newCondition());
        }
        lock.lock();
        try {
          if (permits.get(t) == null || permits.get(t) == 0) {
            permits.put(t, -1);
            conditions.get(t).await();
          }else if (permits.get(t) > 0) {
            permits.put(t, 0);
          }
        } catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
        } finally {
          lock.unlock();
        }
      }
     
      public void unpark(Thread thread) {
        Thread t = thread;
        lock.lock();
        try {
          if (permits.get(t) == null)
            permits.put(t, 1);
          else if (permits.get(t) == -1) {
            permits.put(t, 0);
            conditions.get(t).signal();
          }else if (permits.get(t) == 0) {
            permits.put(t, 1);
          }
        }finally {
          lock.unlock();
        }
      }
    }

    JVM实现一瞥

    其实在JVM底层对于park和unpark的实现也是基于锁和条件变量的,只不过是用更加底层的操作系统和libc(linux操作系统)提供的API进行实现的。虽然API不一样,但是原理是相仿的,思想也相似。

    比如下面的就是JVM实现的unpark方法:

    void Parker::unpark() {
      int s, status;
      // 进行加锁操作 相当于 可重入锁的 lock.lock()
      status = pthread_mutex_lock(_mutex);
      assert (status == 0, "invariant");
      s = _counter;
      _counter = 1;
      if (s < 1) {
        // 如果许可证小于 1 进行下面的操作
        if (WorkAroundNPTLTimedWaitHang) {
          // 这行代码相当于 condition.signal() 唤醒线程
          status = pthread_cond_signal (_cond);
          assert (status == 0, "invariant");
          // 解锁操作 相当于可重入锁的 lock.unlock()
          status = pthread_mutex_unlock(_mutex);
          assert (status == 0, "invariant");
        } else {
          status = pthread_mutex_unlock(_mutex);
          assert (status == 0, "invariant");
          status = pthread_cond_signal (_cond);
          assert (status == 0, "invariant");
        }
      } else {
        // 如果有许可证 也就是 s == 1 那么不许要将线程挂起
        // 解锁操作 相当于可重入锁的 lock.unlock()
        pthread_mutex_unlock(_mutex);
        assert (status == 0, "invariant");
      }
    }

    JVM实现的park方法,如果没有许可证也是会将线程挂起的:

    怎么手写Java LockSupport

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