Java并发编程之锁机制之LockSupport工具
在上篇文章 《Java并发编程之锁机制之AQS(AbstractQueuedSynchronizer)》 中我们了解了整个AQS的内部结构，与其独占式与共享式获取同步状态的实现。但是并没有详细描述线程是如何进行阻塞与唤醒的。我也提到了线程的这些操作都与 LockSupport 工具类有关。现在我们就一起来探讨一下该类的具体实现。
LockSupport类
了解线程的阻塞和唤醒，我们需要查看LockSupport类。具体代码如下：
public class LockSupport {
private LockSupport() {} // Cannot be instantiated.
private static void setBlocker(Thread t, Object arg) {
U.putObject(t, PARKBLOCKER, arg);
}
public static void unpark(Thread thread) {
if (thread != null)
U.unpark(thread);
}
public static void park(Object blocker) {
Thread t = Thread.currentThread();
setBlocker(t, blocker);
U.park(false, 0L);
setBlocker(t, null);
}
public static void parkNanos(Object blocker, long nanos) {
if (nanos > 0) {
Thread t = Thread.currentThread();
setBlocker(t, blocker);
U.park(false, nanos);
setBlocker(t, null);
}
}
public static void parkUntil(Object blocker, long deadline) {
Thread t = Thread.currentThread();
setBlocker(t, blocker);
U.park(true, deadline);
setBlocker(t, null);
}
public static Object getBlocker(Thread t) {
if (t == null)
throw new NullPointerException();
return U.getObjectVolatile(t, PARKBLOCKER);
}
public static void park() {
U.park(false, 0L);
}
public static void parkNanos(long nanos) {
if (nanos > 0)
U.park(false, nanos);
}
public static void parkUntil(long deadline) {
U.park(true, deadline);
}
//省略部分代码
private static final sun.misc.Unsafe U = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
private static final long PARKBLOCKER;
private static final long SECONDARY;
static {
try {
PARKBLOCKER = U.objectFieldOffset
(Thread.class.getDeclaredField("parkBlocker"));
SECONDARY = U.objectFieldOffset
(Thread.class.getDeclaredField("threadLocalRandomSecondarySeed"));
} catch (ReflectiveOperationException e) {
throw new Error(e);
}
}
}
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从上面的代码中，我们可以知道LockSupport中的对外提供的方法都是 静态方法 。这些方法提供了最基本的线程阻塞和唤醒功能，在LockSupport类中定义了一组以park开头的方法用来阻塞当前线程。以及 unPark(Thread thread) 方法来唤醒一个被阻塞的线程。关于park开头的方法具体描述如下表所示：
其中 park(Object blocker) 与 parkNanos(Object blocker, long nanos) 及 parkUntil(Object blocker, long deadline) 三个方法是Java 6中新增加的方法。其中参数blocker是用来标识当前线程等待的对象（下文简称为阻塞对象）， 该对象主要用于问题排查和系统监控 。
由于在Java 5之前，当线程阻塞时（使用synchronized关键字）在一个对象上时，通过线程dump能够查看到该线程的阻塞对象。方便问题定位，而Java 5退出的Lock等并发工具却遗漏了这一点，致使在线程dump时无法提供阻塞对象的信息。因此，在Java 6中，LockSupport新增了含有阻塞对象的park方法。用以替代原有的park方法。
LockSupport中的blocker
可能有很多读者对Blocker的原理有点好奇，既然线程都被阻塞了， 是通过什么办法将阻塞对象设置到线程中去的呢？ 不急不急，我们继续查看含有阻塞对象(Object blocker)的park方法。 我们发现内部都调用了 setBlocker(Thread t, Object arg) 方法。具体代码如下所示：
private static void setBlocker(Thread t, Object arg) {
U.putObject(t, PARKBLOCKER, arg);
}
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其中 U 为sun.misc.包下的 Unsafe 类。而其中的 PARKBLOCKER 是在静态代码块中进行赋值的，也就是如下代码：
private static final sun.misc.Unsafe U = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
static {
try {
PARKBLOCKER = U.objectFieldOffset
(Thread.class.getDeclaredField("parkBlocker"));
//省略部分代码
} catch (ReflectiveOperationException e) {
throw new Error(e);
}
}
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Thread.class.getDeclaredField("parkBlocker") 方法其实很好理解，就是获取线程中的 parkBlocker 字段。如果有则返回其对应的Field字段，如果没有则抛出 NoSuchFieldException 异常。那么关于Unsafe中的 objectFieldOffset(Field f) 方法怎么理解呢？
在描述该方法之前，需要给大家讲一个知识点。在JVM中，可以自由选择如何实现Java对象的 "布局" ,也就Java对象的各个部分分别放在内存那个地方，JVM是可以感知和决定的。 在sun.misc.Unsafe中提供了 objectFieldOffset() 方法用于获取某个字段相对 Java对象的“起始地址”的偏移量,也提供了getInt、getLong、getObject之类的方法可以使用前面获取的偏移量来访问某个Java 对象的某个字段。
有可能大家理解起来比较困难，这里给大家画了一个图，帮助大家理解，具体如下图所示：
在上图中，我们创建了两个Thread对象，其中Thread对象1在内存中分配的地址为 0x10000-0x10100 ,Thread对象2在内存中分配的地址为 0x11000-0x11100 ,其中 parkBlocker 对应内存偏移量为2（这里我们假设相对于其对象的“起始位置”的偏移量为2）。那么通过 objectFieldOffset(Field f) 就能获取该字段的偏移量。需要注意的是 某字段在其类中的内存偏移量总是相同的 ，也就是对于Thread对象1与Thread对象2，parkBlocker字段在其对象所在的内存偏移量始终是相同的。
那么我们再回到 setBlocker(Thread t, Object arg) 方法，当我们获取到 parkBlocker 字段在其对象内存偏移量后， 接着会调用 U.putObject(t, PARKBLOCKER, arg); ，该方法有三个参数,第一个参数是操作对象，第二个参数是内存偏移量，第三个参数是实际存储值。该方法理解起来也很简单，就是 操作某个对象中某个内存地址下的数据 。那么结合我们上面所讲的。该方法的实际操作结果如下图所示：
到现在，我们就应该懂了， 尽管当前线程已经阻塞 ，但是我们还是能直接操控线程中 实际存储该字段的内存区域 来达到我们想要的结果。
LockSupport底层代码实现
通过阅读源代码我们可以发现，LockSupport中关于线程的阻塞和唤醒，主要调用的是sun.misc.Unsafe 中的 park(boolean isAbsolute, long time) 与 unpark(Object thread) 方法，也就是如下代码：
private static final jdk.internal.misc.Unsafe theInternalUnsafe =
jdk.internal.misc.Unsafe.getUnsafe();
public void park(boolean isAbsolute, long time) {
theInternalUnsafe.park(isAbsolute, time);
}
public void unpark(Object thread) {
theInternalUnsafe.unpark(thread);
}
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查看sun.misc.包下的Unsafe.java文件我们可以看出，内部其实调用的是jdk.internal.misc.Unsafe中的方法。继续查看jdk.internal.misc.中的Unsafe.java中对应的方法：
@HotSpotIntrinsicCandidate
public native void unpark(Object thread);
@HotSpotIntrinsicCandidate
public native void park(boolean isAbsolute, long time);
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通过查看方法，我们可以得出最终调用的是JVM中的方法，也就是会调用 hotspot.share.parims 包下的 unsafe.cpp 中的方法。继续跟踪。
UNSAFE_ENTRY(void, Unsafe_Park(JNIEnv *env, jobject unsafe, jboolean isAbsolute, jlong time)) {
//省略部分代码
thread->parker()->park(isAbsolute != 0, time);
//省略部分代码
} UNSAFE_END
UNSAFE_ENTRY(void, Unsafe_Unpark(JNIEnv *env, jobject unsafe, jobject jthread)) {
Parker* p = NULL;
//省略部分代码
if (p != NULL) {
HOTSPOT_THREAD_UNPARK((uintptr_t) p);
p->unpark();
}
} UNSAFE_END
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通过观察代码我们发现，线程的阻塞和唤醒其实是与 hotspot.share.runtime 中的 Parker类 相关。我们继续查看：
class Parker : public os::PlatformParker {
private:
volatile int _counter ;//该变量非常重要，下文我们会具体描述
//省略部分代码
protected:
~Parker() { ShouldNotReachHere(); }
public:
// For simplicity of interface with Java, all forms of park (indefinite,
// relative, and absolute) are multiplexed into one call.
void park(bool isAbsolute, jlong time);
void unpark();
//省略部分代码
}
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在上述代码中， volatile int _counter 该字段的值非常重要， 一定要注意其用volatile修饰 （在下文中会具体描述，接着当我们通过 SourceInsight 工具(推荐大家阅读代码时，使用该工具)点击其park与unpark方法时，我们会得到如下界面：
从图中红色矩形中我们可也看出，针对线程的阻塞和唤醒， 不同操作系统有着不同的实现 。众所周知Java是跨平台的。针对不同的平台，做出不同的处理。也是非常理解的。因为作者对windows与solaris操作系统不是特别了解。所以这里我选择对Linux下的平台下进行分析。也就是选择 hotspot.os.posix 包下的 os_posix.cpp 文件进行分析。
Linux下的park实现
为了方便大家理解Linux下的阻塞实现，在实际代码中我省略了一些不重要的代码，具体如下图所示：
void Parker::park(bool isAbsolute, jlong time) {
//(1)如果_counter的值大于0，那么直接返回
if (Atomic::xchg(0, &_counter) > 0) return;
//获取当前线程
Thread* thread = Thread::current();
JavaThread *jt = (JavaThread *)thread;
//(2)如果当前线程已经中断，直接返回。
if (Thread::is_interrupted(thread, false)) {
return;
}
//(3)判断时间，如果时间小于0，或者在绝对时间情况下，时间为0直接返回
struct timespec absTime;
if (time < 0 || (isAbsolute && time == 0)) { // don't wait at all
return;
}
//如果时间大于0，判断阻塞超时时间或阻塞截止日期，同时将时间赋值给absTime
if (time > 0) {
to_abstime(&absTime, time, isAbsolute);
}
//(4)如果当前线程已经中断，或者申请互斥锁失败，则直接返回
if (Thread::is_interrupted(thread, false) ||
pthread_mutex_trylock(_mutex) != 0) {
return;
}
//(5)如果是时间等于0,那么就直接阻塞线程，
if (time == 0) {
_cur_index = REL_INDEX; // arbitrary choice when not timed
status = pthread_cond_wait(&_cond[_cur_index], _mutex);
assert_status(status == 0, status, "cond_timedwait");
}
//(6)根据absTime之前计算的时间，阻塞线程相应时间
else {
_cur_index = isAbsolute ? ABS_INDEX : REL_INDEX;
status = pthread_cond_timedwait(&_cond[_cur_index], _mutex, &absTime);
assert_status(status == 0 || status == ETIMEDOUT,
status, "cond_timedwait");
}
//省略部分代码
//(7)当线程阻塞超时，或者到达截止日期时，直接唤醒线程
_counter = 0;
status = pthread_mutex_unlock(_mutex);
//省略部分代码
}
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从整个代码来看其实关于Linux下的park方法分为以下七个步骤：
- （1）调用
Atomic::xchg方法，将_counter的值赋值为0，其方法的返回值为之前_counter的值，如果返回值大于0（因为有其他线程操作过_counter的值，也就是其他线程调用过unPark方法)，那么就直接返回。 - （2）如果当前线程已经中断，直接返回。也就是说如果当前线程已经中断了，那么调用park()方法来阻塞线程就会无效。
- （3） 判断其设置的时间是否合理，如果合理，判断
阻塞超时时间或阻塞截止日期，同时将时间赋值给absTime - （4） 在实际对线程进行阻塞前，再一次判断如果当前线程已经中断，或者申请互斥锁失败，则直接返回
- （5） 如果是时间等于0（时间为0，表示一直阻塞线程，除非调用unPark方法唤醒），那么就直接阻塞线程，
- （6）根据absTime之前计算的时间，并调用
pthread_cond_timedwait方法阻塞线程相应的时间。 - （7） 当线程阻塞相应时间后，通过
pthread_mutex_unlock方法直接唤醒线程,同时将_counter赋值为0。
因为关于Linux的阻塞涉及到其内部函数，这里将用到的函数都进行了声明。大家可以根据下表所介绍的方法进行理解。具体方法如下表所示：
Linux下的unpark实现
在了解了Linux的park实现后，再来理解Linux的唤醒实现就非常简单了，查看相应方法：
void Parker::unpark() {
int status = pthread_mutex_lock(_mutex);
assert_status(status == 0, status, "invariant");
const int s = _counter;
//将_counter的值赋值为1
_counter = 1;
// must capture correct index before unlocking
int index = _cur_index;
status = pthread_mutex_unlock(_mutex);
assert_status(status == 0, status, "invariant");
//省略部分代码
}
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其实从代码整体逻辑来讲，最终唤醒其线程的方法为 pthread_mutex_unlock(_mutex) （关于该函数的作用，我已经在上表进行介绍了。大家可以参照Linux下的park实现中的图表进行理解）。同时将 _counter的值赋值为1 , 那么结合我们上文所讲的park(将线程进行阻塞)方法，那么我们可以得知整个线程的唤醒与阻塞，在Linux系统下，其实是受到 Parker类中的_counter的值的影响的 。
LockSupport的使用
现在我们基本了解了LockSupport的基本原理。现在我们来看看它的基本使用吧。在例子中，为了方便大家顺便弄清blocker的作用，这里我调用了带blocker的park方法。具体代码如下所示：
class LockSupportDemo {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread a = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
LockSupport.park("线程a的blocker数据");
System.out.println("我是被线程b唤醒后的操作");
}
});
a.start();
//让当前主线程睡眠1秒，保证线程a在线程b之前执行
Thread.sleep(1000);
Thread b = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
String before = (String) LockSupport.getBlocker(a);
System.out.println("阻塞时从线程a中获取的blocker------>" + before);
LockSupport.unpark(a);
//这里睡眠是，保证线程a已经被唤醒了
try {
Thread.sleep(1000);
String after = (String) LockSupport.getBlocker(a);
System.out.println("唤醒时从线程a中获取的blocker------>" + after);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
b.start();
}
}
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代码中，创建了两个线程，线程a与线程b（线程a优先运行与线程b），在线程a中，通过调用 LockSupport.park("线程a的blocker数据"); 给线程a设置了一个String类型的blocker，当线程a运行的时候，直接将线程a阻塞。在线程b中，先会获取线程a中的blocker，打印输出后。再通过 LockSupport.unpark(a); 唤醒线程a。当唤醒线程a后。最后输出并打印线程a中的blocker。 实际代码运行结果如下：
阻塞时从线程a中获取的blocker------>线程a的blocker数据 我是被线程b唤醒后的操作 唤醒时从线程a中获取的blocker------>null 复制代码
从结果中，我们可以看出，线程a被阻塞时，后续就不会再进行操作了。当线程a被线程b唤醒后。之前设置的blocker也变为null了。同时如果在线程a中park语句后还有额外的操作。那么会继续运行。关于为毛之前的blocker之前变为null，具体原因如下：
public static void park(Object blocker) {
Thread t = Thread.currentThread();
setBlocker(t, blocker);
U.park(false, 0L);//当线程被阻塞时，会阻塞在这里
setBlocker(t, null);//线程被唤醒时，会将blocer置为null
}
复制代码
通过上述例子，我们完全知道了blocker可以在线程阻塞的时候，获取数据。也就证明了当我们对线程进行问题排查和系统监控的时候blocker的有着非常重要的作用。
正文到此结束
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