手寫(xiě)Java?LockSupport的示例代碼
前言
在JDK當(dāng)中給我們提供的各種并發(fā)工具當(dāng)中,比如ReentrantLock等等工具的內(nèi)部實(shí)現(xiàn),經(jīng)常會(huì)使用到一個(gè)工具,這個(gè)工具就是LockSupport。LockSupport給我們提供了一個(gè)非常強(qiáng)大的功能,它是線程阻塞最基本的元語(yǔ),他可以將一個(gè)線程阻塞也可以將一個(gè)線程喚醒,因此經(jīng)常在并發(fā)的場(chǎng)景下進(jìn)行使用。
LockSupport實(shí)現(xiàn)原理
在了解LockSupport實(shí)現(xiàn)原理之前我們先用一個(gè)案例來(lái)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 函數(shù)可以將調(diào)用這個(gè)方法的線程掛起
System.out.println("park 之后");
});
thread.start();
TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
System.out.println("主線程休息了 5s");
System.out.println("主線程 unpark thread");
LockSupport.unpark(thread); // 主線程將線程 thread 喚醒 喚醒之后線程 thread 才可以繼續(xù)執(zhí)行
}
}
上面的代碼的輸出如下:
park 之前
主線程休息了 5s
主線程 unpark thread
park 之后
乍一看上面的LockSupport的park和unpark實(shí)現(xiàn)的功能和await和signal實(shí)現(xiàn)的功能好像是一樣的,但是其實(shí)不然,我們來(lái)看下面的代碼:
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(); // 線程 thread 后進(jìn)行 park 操作
System.out.println("park 之后");
});
thread.start();
System.out.println("主線程 unpark thread");
LockSupport.unpark(thread); // 先進(jìn)行 unpark 操作
}
}
上面代碼輸出結(jié)果如下:
主線程 unpark thread
park 之前
park 之后
在上面的代碼當(dāng)中主線程會(huì)先進(jìn)行unpark操作,然后線程thread才進(jìn)行park操作,這種情況下程序也可以正常執(zhí)行。但是如果是signal的調(diào)用在await調(diào)用之前的話,程序則不會(huì)執(zhí)行完成,比如下面的代碼:
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("發(fā)送信號(hào)");
condition.signal();
}finally {
lock.unlock();
System.out.println("主線程解鎖完成");
}
}
public static void main(String[] args) {
Thread thread = new Thread(() -> {
try {
thread();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
thread.start();
mainThread();
}
}
上面的代碼輸出如下:
發(fā)送信號(hào)
主線程解鎖完成
在上面的代碼當(dāng)中“等待完成“始終是不會(huì)被打印出來(lái)的,這是因?yàn)閟ignal函數(shù)的調(diào)用在await之前,signal函數(shù)只會(huì)對(duì)在它之前執(zhí)行的await函數(shù)有效果,對(duì)在其后面調(diào)用的await是不會(huì)產(chǎn)生影響的。
那是什么原因?qū)е碌倪@個(gè)效果呢?
其實(shí)JVM在實(shí)現(xiàn)LockSupport的時(shí)候,內(nèi)部會(huì)給每一個(gè)線程維護(hù)一個(gè)計(jì)數(shù)器變量_counter,這個(gè)變量是表示的含義是“許可證的數(shù)量”,只有當(dāng)有許可證的時(shí)候線程才可以執(zhí)行,同時(shí)許可證最大的數(shù)量只能為1。當(dāng)調(diào)用一次park的時(shí)候許可證的數(shù)量會(huì)減一。當(dāng)調(diào)用一次unpark的時(shí)候計(jì)數(shù)器就會(huì)加一,但是計(jì)數(shù)器的值不能超過(guò)1。
當(dāng)一個(gè)線程調(diào)用park之后,他就需要等待一個(gè)許可證,只有拿到許可證之后這個(gè)線程才能夠繼續(xù)執(zhí)行,或者在park之前已經(jīng)獲得一個(gè)了一個(gè)許可證,那么它就不需要阻塞,直接可以執(zhí)行。
自己動(dòng)手實(shí)現(xiàn)自己的LockSupport
實(shí)現(xiàn)原理
在前文當(dāng)中我們已經(jīng)介紹了locksupport的原理,它主要的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)就是通過(guò)許可證實(shí)現(xiàn)的:
- 每一個(gè)線程能夠獲取的許可證的最大數(shù)目就是1。
- 當(dāng)調(diào)用unpark方法時(shí),線程可以獲取一個(gè)許可證,許可證數(shù)量的上限是1,如果已經(jīng)有一個(gè)許可證了,那么許可證就不能累加。
- 當(dāng)調(diào)用park方法的時(shí)候,如果調(diào)用park方法的線程沒(méi)有許可證的話,則需要將這個(gè)線程掛起,直到有其他線程調(diào)用unpark方法,給這個(gè)線程發(fā)放一個(gè)許可證,線程才能夠繼續(xù)執(zhí)行。但是如果線程已經(jīng)有了一個(gè)許可證,那么線程將不會(huì)阻塞可以直接執(zhí)行。
自己實(shí)現(xiàn)LockSupport協(xié)議規(guī)定
在我們自己實(shí)現(xiàn)的Parker當(dāng)中我們也可以給每個(gè)線程一個(gè)計(jì)數(shù)器,記錄線程的許可證的數(shù)目,當(dāng)許可證的數(shù)目大于等于0的時(shí)候,線程可以執(zhí)行,反之線程需要被阻塞,協(xié)議具體規(guī)則如下:
- 初始線程的許可證的數(shù)目為0。
- 如果我們?cè)谡{(diào)用park的時(shí)候,計(jì)數(shù)器的值等于1,計(jì)數(shù)器的值變?yōu)?,則線程可以繼續(xù)執(zhí)行。
- 如果我們?cè)谡{(diào)用park的時(shí)候,計(jì)數(shù)器的值等于0,則線程不可以繼續(xù)執(zhí)行,需要將線程掛起,且將計(jì)數(shù)器的值設(shè)置為-1。
- 如果我們?cè)谡{(diào)用unpark的時(shí)候,被unpark的線程的計(jì)數(shù)器的值等于0,則需要將計(jì)數(shù)器的值變?yōu)?。
- 如果我們?cè)谡{(diào)用unpark的時(shí)候,被unpark的線程的計(jì)數(shù)器的值等于1,則不需要改變計(jì)數(shù)器的值,因?yàn)橛?jì)數(shù)器的最大值就是1。
- 我們?cè)谡{(diào)用unpark的時(shí)候,如果計(jì)數(shù)器的值等于-1,說(shuō)明線程已經(jīng)被掛起了,則需要將線程喚醒,同時(shí)需要將計(jì)數(shù)器的值設(shè)置為0。
工具
因?yàn)樯婕熬€程的阻塞和喚醒,我們可以使用可重入鎖ReentrantLock和條件變量Condition,因此需要熟悉這兩個(gè)工具的使用。
ReentrantLock 主要用于加鎖和開(kāi)鎖,用于保護(hù)臨界區(qū)。
Condition.awat 方法用于將線程阻塞。
Condition.signal 方法用于將線程喚醒。
因?yàn)槲覀冊(cè)趗npark方法當(dāng)中需要傳入具體的線程,將這個(gè)線程發(fā)放許可證,同時(shí)喚醒這個(gè)線程,因?yàn)槭切枰槍?duì)特定的線程進(jìn)行喚醒,而condition喚醒的線程是不確定的,因此我們需要為每一個(gè)線程維護(hù)一個(gè)計(jì)數(shù)器和條件變量,這樣每個(gè)條件變量只與一個(gè)線程相關(guān),喚醒的肯定就是一個(gè)特定的線程。我們可以使用HashMap進(jìn)行實(shí)現(xiàn),鍵為線程,值為計(jì)數(shù)器或者條件變量。
具體實(shí)現(xiàn)
因此綜合上面的分析我們的類變量如下:
private final ReentrantLock lock; // 用于保護(hù)臨界去 private final HashMap<Thread, Integer> permits; // 許可證的數(shù)量 private final HashMap<Thread, Condition> conditions; // 用于喚醒和阻塞線程的條件變量
構(gòu)造函數(shù)主要對(duì)變量進(jìn)行賦值:
public Parker() {
lock = new ReentrantLock();
permits = new HashMap<>();
conditions = new HashMap<>();
}
park方法
public void park() {
Thread t = Thread.currentThread(); // 首先得到當(dāng)前正在執(zhí)行的線程
if (conditions.get(t) == null) { // 如果還沒(méi)有線程對(duì)應(yīng)的condition的話就進(jìn)行創(chuàng)建
conditions.put(t, lock.newCondition());
}
lock.lock();
try {
// 如果許可證變量還沒(méi)有創(chuàng)建 或者許可證等于0 說(shuō)明沒(méi)有許可證了 線程需要被掛起
if (permits.get(t) == null || permits.get(t) == 0) {
permits.put(t, -1); // 同時(shí)許可證的數(shù)目應(yīng)該設(shè)置為-1
conditions.get(t).await();
}else if (permits.get(t) > 0) {
permits.put(t, 0); // 如果許可證的數(shù)目大于0 也就是為1 說(shuō)明線程已經(jīng)有了許可證因此可以直接被放行 但是需要消耗一個(gè)許可證
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}
unpark方法
public void unpark(Thread thread) {
Thread t = thread; // 給線程 thread 發(fā)放一個(gè)許可證
lock.lock();
try {
if (permits.get(t) == null) // 如果還沒(méi)有創(chuàng)建許可證變量 說(shuō)明線程當(dāng)前的許可證數(shù)量等于初始數(shù)量也就是0 因此方法許可證之后 許可證的數(shù)量為 1
permits.put(t, 1);
else if (permits.get(t) == -1) { // 如果許可證數(shù)量為-1,則說(shuō)明肯定線程 thread 調(diào)用了park方法,而且線程 thread已經(jīng)被掛起了 因此在 unpark 函數(shù)當(dāng)中不急需要將許可證數(shù)量這是為0 同時(shí)還需要將線程喚醒
permits.put(t, 0);
conditions.get(t).signal();
}else if (permits.get(t) == 0) { // 如果許可證數(shù)量為0 說(shuō)明線程正在執(zhí)行 因此許可證數(shù)量加一
permits.put(t, 1);
} // 除此之外就是許可證為1的情況了 在這種情況下是不需要進(jìn)行操作的 因?yàn)樵S可證最大的數(shù)量就是1
}finally {
lock.unlock();
}
}
完整代碼
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<Thread, Integer> permits;
private final HashMap<Thread, Condition> 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實(shí)現(xiàn)一瞥
其實(shí)在JVM底層對(duì)于park和unpark的實(shí)現(xiàn)也是基于鎖和條件變量的,只不過(guò)是用更加底層的操作系統(tǒng)和libc(linux操作系統(tǒng))提供的API進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的。雖然API不一樣,但是原理是相仿的,思想也相似。
比如下面的就是JVM實(shí)現(xiàn)的unpark方法:
void Parker::unpark() {
int s, status;
// 進(jìn)行加鎖操作 相當(dāng)于 可重入鎖的 lock.lock()
status = pthread_mutex_lock(_mutex);
assert (status == 0, "invariant");
s = _counter;
_counter = 1;
if (s < 1) {
// 如果許可證小于 1 進(jìn)行下面的操作
if (WorkAroundNPTLTimedWaitHang) {
// 這行代碼相當(dāng)于 condition.signal() 喚醒線程
status = pthread_cond_signal (_cond);
assert (status == 0, "invariant");
// 解鎖操作 相當(dāng)于可重入鎖的 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 {
// 如果有許可證 也就是 s == 1 那么不許要將線程掛起
// 解鎖操作 相當(dāng)于可重入鎖的 lock.unlock()
pthread_mutex_unlock(_mutex);
assert (status == 0, "invariant");
}
}JVM實(shí)現(xiàn)的park方法,如果沒(méi)有許可證也是會(huì)將線程掛起的:

總結(jié)
在本篇文章當(dāng)中主要介紹啦lock support的用法以及它的大致原理,以及介紹啦我們自己該如何實(shí)現(xiàn)類似lock support的功能,并且定義了我們自己實(shí)現(xiàn)lock support的大致協(xié)議,整個(gè)過(guò)程還是比較清晰的,我們只是實(shí)現(xiàn)了lock support當(dāng)中兩個(gè)核心方法,其他的方法其實(shí)也類似,原理差不多,在這里咱就實(shí)現(xiàn)一個(gè)乞丐版的lock support的吧?。?!
使用鎖和條件變量進(jìn)行線程的阻塞和喚醒。
使用Thread.currentThread()方法得到當(dāng)前正在執(zhí)行的線程。
使用HashMap去存儲(chǔ)線程和許可證以及條件變量的關(guān)系。
以上就是手寫(xiě)Java LockSupport的示例代碼的詳細(xì)內(nèi)容,更多關(guān)于Java LockSupport的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章!
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