60行自己动手写LockSupport是什么体验?

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LockSupportLockSupport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 

JVM实现的park方法,如果没有许可证也是会将线程挂起的:
60行自己动手写LockSupport是什么体验?插图1

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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THE END
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