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Java?多線程并發(fā)LockSupport

 更新時間:2022年06月16日 08:34:56   作者:??自動化BUG制造器????  
這篇文章主要介紹了Java?多線程并發(fā)LockSupport,LockSupport?類是用于創(chuàng)建鎖和其他同步類的基本線程阻塞原語,更多相關內容需要得小伙伴可以參考一下下面文章內容

概覽

這部分內容來自于這個類的注釋,簡單翻譯了下。

LockSupport 類是用于創(chuàng)建鎖和其他同步類的基本線程阻塞原語。

它的實現(xiàn)思想是給每個使用它的線程頒發(fā)一個許可,當許可是可用狀態(tài)時(線程有許可),調用 park 方法會消耗一個許可,方法立即返回(與信號量的作用類似),線程可以繼續(xù)執(zhí)行 park 方法后面的邏輯;如果調用 park 方法前,許可處于不可用狀態(tài)(線程沒有許可),park 方法不會立即返回,從而導致線程阻塞。而此時,可以通過調用 unpark 方法使許可恢復到可用狀態(tài)(但與信號量不同,許可不會累積。最多有一個)。

方法 park 和 unpark 提供了阻塞和解除阻塞線程的有效方法,這些線程不會遇到 Thread.suspend 和 Thread.resume 存在的問題(因suspend 容易導致死鎖,這倆個方法因為這個原因已經(jīng)被棄用 ),因為 park 和 unpark 調用的線程,不存在鎖競爭。

而如果調用 park 方法的線程被中斷,park 方法將會立即 return ,并且有設置超時版本的 park 方法。park 方法也可以在任何其他時間沒有原因的 return,因此通常必須在返回時重新檢查條件的循環(huán)中調用。從這個意義上說,park 是對“繁忙等待”的優(yōu)化,它不會浪費太多時間旋轉,但必須與 unpark 配對才能有效。

park 方法有對應帶有 blocker 對象參數(shù)的重載方法, blocker 對象在線程被阻塞時被記錄,以允許監(jiān)視和診斷工具識別線程被阻塞的原因。 (此類工具可以使用 getBlocker(Thread) 方法訪問阻止程序。)強烈建議使用這些表單而不是沒有此參數(shù)的原始表單。 在鎖實現(xiàn)中作為阻塞器提供的正常參數(shù)是 this。

本質上 LockSupport 實現(xiàn)了一種自旋,構造類似于:

while (!canProceed()) { ... LockSupport.park(this); }

其中 `canProceed 或在調用之前的任何其他操作都不會導致鎖定或阻塞。 因為每個線程只有一個許可,所以任何對 park 的中間使用都可能會干擾其預期效果。

示例用法。 這是一個先進先出不可重入鎖類的草圖:

 class FIFOMutex {
 ? private final AtomicBoolean locked = new AtomicBoolean(false);
 ? private final Queue<Thread> waiters
 ? ? = new ConcurrentLinkedQueue<Thread>();
 ? public void lock() {
 ? ? boolean wasInterrupted = false;
 ? ? Thread current = Thread.currentThread();
 ? ? waiters.add(current);
 ? ? // Block while not first in queue or cannot acquire lock
 ? ? while (waiters.peek() != current ||
 ? ? ? ? ? ?!locked.compareAndSet(false, true)) {
 ? ? ? LockSupport.park(this);
 ? ? ? if (Thread.interrupted()) // ignore interrupts while waiting
 ? ? ? ? wasInterrupted = true;
 ? ? }
 ? ? waiters.remove();
 ? ? if (wasInterrupted) ? ? ? ? ?// reassert interrupt status on exit
 ? ? ? current.interrupt();
 ? }
 ? public void unlock() {
 ? ? locked.set(false);
 ? ? LockSupport.unpark(waiters.peek());
 ? }
 }

源碼分析

整個 LockSupport 類的代碼量還算少,去掉注釋僅有 100 行,所有的屬性和方法都是靜態(tài)的,并且備注明確說明了 LockSupport 無法實例化:

public class LockSupport {
 ? ?private LockSupport() {} // 無法實例化
 ? ?// ...
}

LockSupport 中包含了幾個私有的內部靜態(tài)屬性:

public class LockSupport {
    // 通過內部 API 實現(xiàn) Hotspot
 ? ?private static final Unsafe U = Unsafe.getUnsafe();
 ? ?private static final long PARKBLOCKER= U.objectFieldOffset(Thread.class, "parkBlocker");
 ? ?private static final long TID = U.objectFieldOffset(Thread.class, "tid");
    // ...
}

從這些內部私有的靜態(tài)屬性可以看出,最重要的就是 U 了,LockSupport 中的方法,本質上也是調用U 提供的能力。U 在 CAS 與原子類中有介紹,是 JDK 中提供的一些非阻塞線程安全的實現(xiàn)能力的類,它的大多數(shù)方法都是 native 方法。

靜態(tài)方法

LockSupport 基本上就是個靜態(tài)工具類,它的主要能力,集中在它的靜態(tài)方法中。

public class LockSupport {
    public static void unpark(Thread thread)
    public static void park(Object blocker)
    public static void parkNanos(Object blocker, long nanos)
    public static void parkUntil(Object blocker, long deadline)
    public static Object getBlocker(Thread t)
 ? ?public static void setCurrentBlocker(Object blocker)
 ? ?private static void setBlocker(Thread t, Object arg)
    public static void park()
    public static void parkNanos(long nanos)
    public static void parkUntil(long deadline)
 ? ?static final long getThreadId(Thread thread)
}

從方法名就可以看出,主要分為三個:

  • unpark
  • park
  • getBlocker

Blocker

public static Object getBlocker(Thread t) {
 ? ?if (t == null)
 ? ? ? ?throw new NullPointerException();
 ? ?return U.getReferenceOpaque(t, PARKBLOCKER);
}

private static void setBlocker(Thread t, Object arg) {
 ? ?U.putReferenceOpaque(t, PARKBLOCKER, arg);
}
// 在 JDK 14 之前是不存在該方法的, setBlocker 只能從內部進行
public static void setCurrentBlocker(Object blocker) {
 ? ?U.putReferenceOpaque(Thread.currentThread(), PARKBLOCKER, blocker);
}

setCurrentBlocker 的作用是,設置當前線程調用 getBlocker 返回的對象。 在 JDK 14 后暴露這個方法的用途,是用來配合park() 的無參數(shù)版本設置 Blocker ,它可以實現(xiàn) park(blocker) 的效果:

 setCurrentBlocker(b);
 park(); 
 setCurrentBlocker(null);

而私有靜態(tài)方法 setBlocker 是在 park 的有參數(shù)方法中封裝使用的。

對于 blocker 的保存,本質是通過 Unsafe 的 putReferenceOpaque 方法保存和 getReferenceOpaque 方法讀取的。

@IntrinsicCandidate
public final void putReferenceOpaque(Object o, long offset, Object x) {
 ? ?putReferenceVolatile(o, offset, x);
}
// 使用 volatile 存儲語義將引用值存儲到給定的 Java 變量中。 否則等同于 putReference(Object, long, Object)
@IntrinsicCandidate
public native void putReferenceVolatile(Object o, long offset, Object x);

@IntrinsicCandidate
public final Object getReferenceOpaque(Object o, long offset) {
 ? ?return getReferenceVolatile(o, offset);
}
// 從給定的 Java 變量中獲取引用值,具有可變加載語義。 否則等同于 getReference(Object, long)
@IntrinsicCandidate
public native Object getReferenceVolatile(Object o, long offset);

在 src/hotspot/share/opto/library_call.cpp 中發(fā)現(xiàn)了 Java 到 native 方法的映射:

case vmIntrinsics::_putReferenceVolatile: return inline_unsafe_access( is_store, T_OBJECT, ? Volatile, false);

native 最終調用到是老朋友 inline_unsafe_access 。(這里不詳細展開了。。我也沒搞明白這個方法,和匯編指令相關)

需要注意的是,最終的都是將對象設置為了 volatile 。充分說明 LockSupport 也是一套非阻塞同步方案。

而上面提到的 putReference(Object, long, Object)的作用是:將引用值存儲到給定的 Java 變量中。

@IntrinsicCandidate
public native void putReference(Object o, long offset, Object x);

除非存儲的引用 x 為 null 或與字段類型匹配,否則結果是未定義的。 如果引用 o 不為空,則更新該對象的卡片標記或其他存儲屏障(如果 VM 需要它們)。

unpark

public static void unpark(Thread thread) {
    if (thread != null)
        U.unpark(thread);
}

解除調用 park 的線程的阻塞狀態(tài),或者如果調用 park 的線程沒有阻塞,則會導致后續(xù)調用 park 不會造成阻塞。

注意:這個操作是不安全的,調用者必須確保線程沒有被銷毀。

這是什么意思呢?通過下面這個例子可以感受到先調用 unpark 后,指定參數(shù)中的線程參數(shù)對象調用 park 不會造成阻塞:

class LockSupportDemo {
 ? ?fun check() {
 ? ? ? ?val thread1 = Thread {
 ? ? ? ? ? ?Thread.sleep(1000)
 ? ? ? ? ? ?println("thread1 start + ${Date(System.currentTimeMillis())}")
 ? ? ? ? ? ?LockSupport.park()
 ? ? ? ? ? ?println("thread1 end +  ${Date(System.currentTimeMillis())}")
 ? ? ?  }
?
 ? ? ? ?val thread2 = Thread {
 ? ? ? ? ? ?println("thread2 start +  ${Date(System.currentTimeMillis())}")
 ? ? ? ? ? ?LockSupport.unpark(thread1)
 ? ? ? ? ? ?println("thread2 end +  ${Date(System.currentTimeMillis())}")
 ? ? ?  }
 ? ? ? ?thread1.start()
 ? ? ? ?thread2.start()
 ?  }
}

打印日志:

thread2 start +  Fri Jun 03 02:19:34 CST 2022
thread2 end +  Fri Jun 03 02:19:34 CST 2022
thread1 start + Fri Jun 03 02:19:35 CST 2022
thread1 end +  Fri Jun 03 02:19:35 CST 2022

thread2 優(yōu)先執(zhí)行,thread1 在 thread2 開始執(zhí)行 1s 后執(zhí)行,thread1 調用了 LockSupport.park() ,并沒有造成自身阻塞。

Unsafe 的 unpark 方法

LockSupport.unpark(thread) 內部實際只調用了 Unsafe#unpark(thread);

public native void unpark(Object thread);
復制代碼

又是一個 native 方法。在 JDK 中發(fā)現(xiàn) Parker::unpark 的定義在 os_posix.cpp 和 on_windows.cpp 中:

可以看出這個 native 方法,應該在不同的平臺會有不同的實現(xiàn)。

park

park 方法有兩組重載方法:

// 不帶 blocker
public static void park()
public static void parkNanos(long nanos)
public static void parkUntil(long deadline)
// 需要 blocker 參數(shù)
public static void park(Object blocker)
public static void parkNanos(Object blocker, long nanos)
public static void parkUntil(Object blocker, long deadline)

不帶 blocker 參數(shù)的分組

沒有 blocker 參數(shù)的一組本質上的邏輯是:

U.park(boolean, long);
復制代碼

這一點可以從三個方法中看出:

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);
}

這三個方法的區(qū)別是:

park

方法的作用是:除非許可處于可用狀態(tài),否者關閉當前線程的線程調度的意圖。如果許可可用,則許可被使用掉,并立即返回。否則當前線程因為線程調度的意圖被關閉而導致阻塞。

直到發(fā)生以下三種情況之一:

其他線程以當前線程為目標調用 unpark

其他線程中斷當前線程

調用虛假地 return(即 no reason)

這個方法不會報告是哪一種原因導致的 return。調用者應該重新檢查導致線程第一次停止的條件。 例如,調用者還可以確定線程在返回時的中斷狀態(tài)。

parkNanos

禁用當前線程的線程調度意圖,直到指定的等待時間,除非許可可用。如果參數(shù) nanos 為 0 或為負數(shù),這個方法將不會做任何事情。

parkUntil

禁用當前線程的線程調度意圖,直到指定的最后期限,除非許可可用。參數(shù) deadline 是截止日期——從 Epoch 開始等待的絕對時間,以毫秒為單位。

需要 blocker 參數(shù)的分組

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);
}

帶有 blocker 參數(shù)的這組函數(shù),它們和對應的不帶參數(shù)的方法意義是一樣的,多了一個設置對象的操作。而這個對象 blocker 是負責此線程 parking 的同步對象 。

這組重載方法有共同的邏輯:

  • 獲取當前線程對象。
  • 將 blocker 對象的引用值存儲到線程對象中。
  • 調用 Unsafe 對象的 park(boolean, long) 方法。
  • 將當前線程對象存儲的引用值設置為 null 。

讓我困惑的是,這個存儲引用值操作有什么作用。但是聯(lián)想到線程操作和對象,驚奇的發(fā)現(xiàn)我們常用的 API Object.wait() 和 Object.notify() ,好像和這個場景很像,都用到了一個 Object ,也都造成了線程阻塞喚醒。

park/unpark 和 Object 的 wait/notify

public class LockSupportJava {
 ? ?Object obj = new Object();?
 ? ?public static void main(String[] args) {
 ? ? ? ?LockSupportJava lock = new LockSupportJava();
 ? ? ? ?lock.waitAndNotify();
 ?  }
 ? ?void waitAndNotify() {
 ? ? ? ?Thread thread1 = new Thread(() -> {
 ? ? ? ? ? ?synchronized(obj) {
 ? ? ? ? ? ? ? ?try {
 ? ? ? ? ? ? ? ?    System.out.println("thread1 start + " + new Date(System.currentTimeMillis()));
 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?Thread.sleep(1000);
 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?obj.notify();
 ? ? ? ? ? ? ?      System.out.println("thread1 end + " + new Date(System.currentTimeMillis()));
 ? ? ? ? ? ? ?  } catch (InterruptedException e) {
 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?e.printStackTrace();
 ? ? ? ? ? ? ?  }
 ? ? ? ? ?  }
 ? ? ?  });?
 ? ? ? ?Thread thread2 = new Thread(() -> {
 ? ? ? ? ? ?synchronized(obj) {
 ? ? ? ? ? ? ? ?try {
 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?thread1.start();
 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?Thread.sleep(3000);
 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?System.out.println("thread2 start + " + new Date(System.currentTimeMillis()));
 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?obj.wait();
 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?System.out.println("thread2 end + " + new Date(System.currentTimeMillis()));
 ? ? ? ? ? ? ?  } catch (InterruptedException e) {
 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?e.printStackTrace();
 ? ? ? ? ? ? ?  }
 ? ? ? ? ?  }
 ? ? ?  });
 ? ? ? ?thread2.start();
 ?  }
}

這是一個簡單的 Demo ,創(chuàng)建了兩個線程 thread1 和 thread2 。

線程 2 從主線程先執(zhí)行,持有了 obj對象的鎖,在它的執(zhí)行邏輯中:

  • 先啟動線程 1
  • 線程 2 睡眠 3 秒
  • 三秒后打印 start,obj 對象調用 wait ,使當前線程讓出對象的鎖,并進入阻塞狀態(tài)。

此時,線程 1 可以獲取到 obj 對象的鎖了,它的執(zhí)行邏輯:

  • 線程 1 開始打印 start
  • 睡眠 1 秒
  • obj 對象調用 notify ,線程 2 開始嘗試獲取 obj 的鎖。
  • 打印 end ,執(zhí)行結束,讓出 obj 的鎖

最后,線程 2 重新獲取到了 obj 的鎖,繼續(xù)執(zhí)行打印 end 。

從打印日志中,驗證打印順序:

thread2 start + Fri Jun 03 04:02:17 CST 2022
thread1 start + Fri Jun 03 04:02:17 CST 2022
thread1 end + Fri Jun 03 04:02:18 CST 2022
thread2 end + Fri Jun 03 04:02:18 CST 2022

注意:使用wait/notify實現(xiàn)同步時,必須先調用wait,后調用notify,如果先調用notify,再調用wait,會導致線程一直阻塞。

而如果使用 park / unpark 實現(xiàn)一個阻塞喚醒效果:

 ? ?Thread thread;
 ? ?void parkAndUnpark() {
 ? ? ? ?Thread thread2 = new Thread(() -> {
 ? ? ? ? ? ?System.out.println("thread2 start + " + new Date(System.currentTimeMillis()));
 ? ? ? ? ? ?thread.start();
 ? ? ? ? ? ?LockSupport.park(obj);
 ? ? ? ? ? ?System.out.println("Blocker info " + LockSupport.getBlocker(Thread.currentThread()));
 ? ? ? ? ? ?System.out.println("thread2 end + " + new Date(System.currentTimeMillis()));
 ? ? ?  });
 ? ? ? ?// 喚起 thread2
 ? ? ? ?Thread thread1 = new Thread(() -> {
 ? ? ? ? ? ?try {
 ? ? ? ? ? ? ? ?System.out.println("thread1 start + " + new Date(System.currentTimeMillis()));
 ? ? ? ? ? ? ? ?Thread.sleep(3000);
 ? ? ? ? ? ? ? ?System.out.println("Blocker info " + LockSupport.getBlocker(thread2));
 ? ? ? ? ? ? ? ?LockSupport.unpark(thread2);
 ? ? ? ? ? ? ? ?System.out.println("thread1 end + " + new Date(System.currentTimeMillis()));
 ? ? ? ? ?  } catch (InterruptedException e) {
 ? ? ? ? ? ? ? ?e.printStackTrace();
 ? ? ? ? ?  }
 ? ? ?  });
 ? ? ? ?thread = thread1;
 ? ? ? ?thread2.start();
 ?  }

parkAndUnpark() 方法中,先啟動了線程 2,線程 2 打印完 start 后就啟動了線程 1 。而此時線程 2 繼續(xù)執(zhí)行:

  • 調用 park 進入阻塞狀態(tài)

在線程 2 執(zhí)行上面兩個邏輯的同時,線程 1 也在同時執(zhí)行:

  • 線程 1 啟動后先打印 start
  • 線程 1 睡眠 3 秒
  • 檢查線程 2 調用 park(Object)方法設置的 Blocker 信息
  • 調用 LockSupport.unpark(thread2) 解除線程 2 的阻塞
  • 線程 1 打印 end 執(zhí)行結束

線程 2 在被線程 1 喚醒后,繼續(xù)執(zhí)行打印信息:

  • 打印當前線程的 Blocker 信息,為 null
  • 打印 end 執(zhí)行結束

打印日志:

thread2 start + Fri Jun 03 04:24:32 CST 2022
thread1 start + Fri Jun 03 04:24:32 CST 2022
Blocker info java.lang.Object@7a3acdd9
thread1 end + Fri Jun 03 04:24:35 CST 2022
Blocker info null
thread2 end + Fri Jun 03 04:24:35 CST 2022

注意:先調用 unpark 后調用 park 也不會導致阻塞,更加靈活。

可以發(fā)現(xiàn),blocker 在線程恢復后變成了 null ,個人理解它的作用就是用來做阻塞標記的,可以用來在線程阻塞狀態(tài)下,將一個對象設置上,然后在其他線程中讀取這個對象。blocker 與線程的單次阻塞狀態(tài)綁定,可以用于對線程狀態(tài)的排查和線程狀態(tài)的監(jiān)控。

區(qū)別

從 wait/notify 和 park/unpark 兩種阻塞線程和喚起線程的方式,能夠感受出兩者的不同之處:

  • wait/notify 需要配合 synchronized 進行;park/unpark 雖然設置了 blocker 但全程沒有鎖。
  • wait/notify 需要保證 wait 在前,notify 在后,否則會阻塞線程;park/unpark 對調用順序沒有限制。不會造成阻塞。
  • wait/notify 方法在 Object 中定義,用于對象鎖的資源讓出;park/unpark 來自于 LockSupport ,是靜態(tài)方法,用于對線程本身進行掛起喚醒。并可以通過 blocker 綁定線程阻塞狀態(tài)下的一些信息。

個人感覺 park/unpark 更像是 掛起/恢復,而 Thread.suspend 和 Thread.resume 都已廢棄,是很好的替代方案。

  • suspend,掛起線程,但是不會釋放類似鎖這樣的資源。
  • resume,恢復線程,如果之前沒有使用suspend暫停線程,則不起作用。
  • Thread.stop() 由于其固有的風險而被逐步淘汰。當你停止一個線程時,它會解鎖它鎖定的所有監(jiān)視器。如果以前受這些監(jiān)視器保護的任何對象處于不一致狀態(tài),其他線程可能會看到這些對象處于不一致狀態(tài)。 作用在受損物體上的線可能會有意或無意地行為不規(guī)律。與其他不受控制的異常不同,ThreadDeath 會靜默地殺死線程,不會向用戶發(fā)出程序可能已損壞的警告。損壞發(fā)生后,損壞可能會在無法預料的時刻出現(xiàn)。此外,在多線程環(huán)境中使用 DBMS – JDBC 時,終止線程會產(chǎn)生問題。
  • Thread.suspend() 已被棄用,因為它本質上容易死鎖。因此,Thread.resume() 也必須被棄用。當目標線程被掛起時,它會在監(jiān)視器上鎖定一個保護關鍵系統(tǒng)資源的鎖,并且在目標線程恢復之前沒有其他線程可以訪問它。如果將重新啟動目標線程的線程在調用 resume() 之前嘗試鎖定此監(jiān)視器,則會發(fā)生死鎖。

到此這篇關于Java 多線程并發(fā)LockSupport的文章就介紹到這了,更多相關Java  LockSupport內容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持腳本之家!

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