60行自己动手写LockSupport是什么体验？
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：
总结
在本篇文章当中主要介绍啦lock support的用法以及它的大致原理，以及介绍啦我们自己该如何实现类似lock support的功能，并且定义了我们自己实现lock support的大致协议，整个过程还是比较清晰的，我们只是实现了lock support当中两个核心方法，其他的方法其实也类似，原理差不多，在这里咱就实现一个乞丐版的lock support的吧！！！
- 使用锁和条件变量进行线程的阻塞和唤醒。
- 使用
Thread.currentThread()方法得到当前正在执行的线程。 - 使用HashMap去存储线程和许可证以及条件变量的关系。
以上就是本篇文章的所有内容了，我是 LeHung，我们下期再见！！！更多精彩内容合集可访问项目：https://github.com/Chang-LeHung/CSCore
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Author: 一无是处的研究僧
Title: 60行自己动手写LockSupport是什么体验？
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