【Java开发日记】我们来说说 LockSupport 的 park 和 unpark

一、LockSupport

1.1、LockSupport函数列表

1.2、基本使用

先 park 再 unpark

先 unpark 再 park

1.3、特点

与 Object 的 wait & notify 相比

二、LockSupport park & unpark原理

2.1、情况一，先调用park，再调用unpark

park 操作

unpark 操作

2.2、情况二，先调用unpark，再调用park

三、LockSupport Java源码解析

3.1 变量说明

变量是如何获取其实例对象的？

3.2 构造方法

3.3 两个特殊的方法

3.4 常用方法

1、unpark(Thread thread)方法

2、park(Object blocker)方法和 park()方法

park(Object blocker)函数中要调用两次setBlocker函数

3、parkNanos(Object blocker, long nanos)方法和 parkNanos(long nanos)方法

4、parkUntil(Object blocker, long deadline)方法和 parkUntil(long deadline)方法

总结：

一、LockSupport

LockSupport是JDK中比较底层的类，用来创建锁和其他同步工具类的基本线程阻塞原语。 Java锁和同步器框架的核心AQS:AbstractQueuedSynchronizer，就是通过调用LockSupport.park()和LockSupport.unpark()实现线程的阻塞和唤醒的。LockSupport很类似于二元信号量(只有1个许可证可供使用)，如果这个许可还没有被占用，当前线程获取许可并继续执行；如果许可已经被占用，当前线程阻塞，等待获取许可。 LockSupport中的park() 和 unpark() 的作用分别是阻塞线程和解除阻塞线程，而且park()和unpark()不会遇到“Thread.suspend 和 Thread.resume所可能引发的死锁”问题。因为park() 和 unpark()有许可的存在；调用 park() 的线程和另一个试图将其 unpark() 的线程之间的竞争将保持活性。

1.1、LockSupport函数列表

public class LockSupport {
// 返回提供给最近一次尚未解除阻塞的 park 方法调用的 blocker 对象，如果该调用不受阻塞，则返回 null。
static Object getBlocker(Thread t);
// 为了线程调度，禁用当前线程，除非许可可用。
static void park();
// 为了线程调度，在许可可用之前禁用当前线程。
static void park(Object blocker);
// 为了线程调度禁用当前线程，最多等待指定的等待时间，除非许可可用。
static void parkNanos(long nanos);
// 为了线程调度，在许可可用前禁用当前线程，并最多等待指定的等待时间。
static void parkNanos(Object blocker, long nanos);
// 为了线程调度，在指定的时限前禁用当前线程，除非许可可用。
static void parkUntil(long deadline);
// 为了线程调度，在指定的时限前禁用当前线程，除非许可可用。
static void parkUntil(Object blocker, long deadline);
// 如果给定线程的许可尚不可用，则使其可用。
static void unpark(Thread thread);
}

说明：LockSupport是通过调用Unsafe函数中的接口实现阻塞和解除阻塞的。

1.2、基本使用

// 暂停当前线程
LockSupport.park();
// 恢复某个线程的运行
LockSupport.unpark(暂停线程对象)

先 park 再 unpark

Thread t1 = new Thread(() -> {
log.debug("start…");
sleep(1);
log.debug("park…");
LockSupport.park();
log.debug("resume…");
},"t1");
t1.start();
sleep(2);
log.debug("unpark…");
LockSupport.unpark(t1);

输出：

18:42:52.585 c.TestParkUnpark [t1] – start…
18:42:53.589 c.TestParkUnpark [t1] – park…
18:42:54.583 c.TestParkUnpark [main] – unpark…
18:42:54.583 c.TestParkUnpark [t1] – resume…

先 unpark 再 park

Thread t1 = new Thread(() -> {
log.debug("start…");
sleep(2);
log.debug("park…");
LockSupport.park();
log.debug("resume…");
}, "t1");
t1.start();
sleep(1);
log.debug("unpark…");
LockSupport.unpark(t1);

输出：

18:43:50.765 c.TestParkUnpark [t1] – start…
18:43:51.764 c.TestParkUnpark [main] – unpark…
18:43:52.769 c.TestParkUnpark [t1] – park…
18:43:52.769 c.TestParkUnpark [t1] – resume…

1.3、特点

在调用对象的Wait之前当前线程必须先获得该对象的监视器(Synchronized)，被唤醒之后需要重新获取到监视器才能继续执行。而LockSupport并不需要获取对象的监视器。

与 Object 的 wait & notify 相比

1、wait，notify 和 notifyAll 必须配合 Object Monitor 一起使用，而 park，unpark 不必。
2、park & unpark 是以线程为单位来【阻塞】和【唤醒】线程，而 notify 只能随机唤醒一个等待线程，notifyAll是唤醒所有等待线程，但不那么【精确】。
3、park & unpark 可以先 unpark，而 wait & notify 不能先 notify。

因为它们本身的实现机制不一样，所以它们之间没有交集，也就是说LockSupport阻塞的线程，notify/notifyAll没法唤醒。虽然两者用法不同，但是有一点， LockSupport 的park和Object的wait一样也能响应中断。

public class LockSupportTest {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t = new Thread(() -> {
LockSupport.park();
System.out.println("thread:"+Thread.currentThread().getName()+"awake");
},"t1");
t.start();
Thread.sleep(2000);
//中断
t.interrupt();
}
}

二、LockSupport park & unpark原理

每个线程都会关联一个 Parker 对象，每个 Parker 对象都各自维护了三个角色：_counter(计数器)、 _mutex(互斥量)、_cond(条件变量)。

2.1、情况一，先调用park，再调用unpark

park 操作

当前线程调用 Unsafe.park() 方法

检查 _counter ，本情况为 0，这时，获得 _mutex 互斥锁

线程进入 _cond 条件变量阻塞

设置 _counter = 0

unpark 操作

调用 Unsafe.unpark(Thread_0) 方法，设置 _counter 为 1

唤醒 _cond 条件变量中的 Thread_0

Thread_0 恢复运行

设置 _counter 为 0

2.2、情况二，先调用unpark，再调用park

调用 Unsafe.unpark(Thread_0) 方法，设置 _counter 为 1

当前线程调用 Unsafe.park() 方法

检查 _counter ，本情况为 1，这时线程无需阻塞，继续运行

设置 _counter 为 0

三、LockSupport Java源码解析

3.1 变量说明

public class LockSupport {
// Hotspot implementation via intrinsics API
//unsafe常量，设置为使用Unsafe.compareAndSwapInt进行更新
//UNSAFE字段表示sun.misc.Unsafe类，一般程序中不允许直接调用
private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;
//表示parkBlocker在内存地址的偏移量
private static final long parkBlockerOffset;
//表示threadLocalRandomSeed在内存地址的偏移量，此变量的作用暂时还不了解
private static final long SEED;
//表示threadLocalRandomProbe在内存地址的偏移量，此变量的作用暂时还不了解
private static final long PROBE;
//表示threadLocalRandomSecondarySeed在内存地址的偏移量
// 作用是可以通过nextSecondarySeed()方法来获取随机数
private static final long SECONDARY;
}

变量是如何获取其实例对象的？

public class LockSupport {
static {
try {
//实例化unsafe对象
UNSAFE = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
Class<?> tk = Thread.class;
//利用unsafe对象来获取parkBlocker在内存地址的偏移量
parkBlockerOffset = UNSAFE.objectFieldOffset(tk.getDeclaredField("parkBlocker"));
//利用unsafe对象来获取threadLocalRandomSeed在内存地址的偏移量
SEED = UNSAFE.objectFieldOffset(tk.getDeclaredField("threadLocalRandomSeed"));
//利用unsafe对象来获取threadLocalRandomProbe在内存地址的偏移量
PROBE = UNSAFE.objectFieldOffset(tk.getDeclaredField("threadLocalRandomProbe"));
//利用unsafe对象来获取threadLocalRandomSecondarySeed在内存地址的偏移量
SECONDARY = UNSAFE.objectFieldOffset(tk.getDeclaredField("threadLocalRandomSecondarySeed"));
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
}

由上面代码可知这些变量是通过static代码块在类加载的时候就通过unsafe对象获取其在内存地址的偏移量了。

3.2 构造方法

public class LockSupport {
//LockSupport只有一个私有构造函数，无法被实例化。
private LockSupport() {} // Cannot be instantiated.
}

3.3 两个特殊的方法

public class LockSupport {
//设置线程t的parkBlocker字段的值为arg
private static void setBlocker(Thread t, Object arg) {
// Even though volatile, hotspot doesn't need a write barrier here.
//尽管hotspot易变，但在这里并不需要写屏障。
UNSAFE.putObject(t, parkBlockerOffset, arg);
}
//获取当前线程的Blocker值
public static Object getBlocker(Thread t) {
//若当前线程为空就抛出异常
if (t == null)
throw new NullPointerException();
//利用unsafe对象获取当前线程的Blocker值
return UNSAFE.getObjectVolatile(t, parkBlockerOffset);
}
}

1、unpark(Thread thread)方法

public class LockSupport {
//释放该线程的阻塞状态，即类似释放锁，只不过这里是将许可设置为1
public static void unpark(Thread thread) {
//判断线程是否为空
if (thread != null)
//释放该线程许可
UNSAFE.unpark(thread);
}
}

2、park(Object blocker)方法和 park()方法

public class LockSupport {
//阻塞当前线程，并且将当前线程的parkBlocker字段设置为blocker
public static void park(Object blocker) {
//获取当前线程
Thread t = Thread.currentThread();
//将当前线程的parkBlocker字段设置为blocker
setBlocker(t, blocker);
//阻塞当前线程，第一个参数表示isAbsolute，是否为绝对时间，第二个参数就是代表时间
UNSAFE.park(false, 0L);
//重新可运行后再此设置Blocker
setBlocker(t, null);
}
//无限阻塞线程，直到有其他线程调用unpark方法
public static void park() {
UNSAFE.park(false, 0L);
}
}

说明：

调用park函数时，首先获取当前线程，然后设置当前线程的parkBlocker字段，即调用setBlocker函数，之后调用Unsafe类的park函数，之后再调用setBlocker函数。

park(Object blocker)函数中要调用两次setBlocker函数
1、调用park函数时，当前线程首先设置好parkBlocker字段，然后再调用 Unsafe的park函数，此时，当前线程就已经阻塞了，等待该线程的unpark函数被调用，所以后面的一个 setBlocker函数无法运行，unpark函数被调用，该线程获得许可后，就可以继续运行了，也就运行第二个 setBlocker，把该线程的parkBlocker字段设置为null，这样就完成了整个park函数的逻辑。
2、如果没有第二个 setBlocker，那么之后没有调用park(Object blocker)，而直接调用getBlocker函数，得到的还是前一个 park(Object blocker)设置的blocker，显然是不符合逻辑的。总之，必须要保证在park(Object blocker)整个函数执行完后，该线程的parkBlocker字段又恢复为null。

所以，park(Object)型函数里必须要调用setBlocker函数两次。

3、parkNanos(Object blocker, long nanos)方法和 parkNanos(long nanos)方法

public class LockSupport {
//阻塞当前线程nanos秒
public static void parkNanos(Object blocker, long nanos) {
//先判断nanos是否大于0，小于等于0都代表无限等待
if (nanos > 0) {
//获取当前线程
Thread t = Thread.currentThread();
//将当前线程的parkBlocker字段设置为blocker
setBlocker(t, blocker);
//阻塞当前线程现对时间的nanos秒
UNSAFE.park(false, nanos);
//将当前线程的parkBlocker字段设置为null
setBlocker(t, null);
}
}
//阻塞当前线程nanos秒，现对时间
public static void parkNanos(long nanos) {
if (nanos > 0)
UNSAFE.park(false, nanos);
}
}

4、parkUntil(Object blocker, long deadline)方法和 parkUntil(long deadline)方法

public class LockSupport {
//将当前线程阻塞绝对时间的deadline秒，并且将当前线程的parkBlockerOffset设置为blocker
public static void parkUntil(Object blocker, long deadline) {
//获取当前线程
Thread t = Thread.currentThread();
//设置当前线程parkBlocker字段设置为blocker
setBlocker(t, blocker);
//阻塞当前线程绝对时间的deadline秒
UNSAFE.park(true, deadline);
//当前线程parkBlocker字段设置为null
setBlocker(t, null);
}
//将当前线程阻塞绝对时间的deadline秒
public static void parkUntil(long deadline) {
UNSAFE.park(true, deadline);
}
}

总结：

LockSupport 和 CAS 是Java并发包中很多并发工具控制机制的基础，它们底层其实都是依赖Unsafe实现。很多锁的类都是基于LockSupport的park和unpark来实现的，所以了解LockSupport类是非常重要的。

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