写给小白看的LockSupport

2023-12-29 19:48:40

前言

Java并发编程系列第三篇LockSupport，上一篇Synchronized文章中有提过，不推荐读者们使用Object的wait、notify、notifyAll等函数做多线程间的通信协同，使用LockSupport会是更好的选择，本篇就来谈谈LockSupport，也正好为下篇的A Q S（AbstractQueuedSynchronized）打基础。

内容大纲

写给小白看的LockSupport

LockSupport基本概念

LockSupport是线程工具类，主要作用是阻塞和唤醒线程，底层实现依赖Unsafe，同时它还是锁和其他同步类实现的基础，LockSupport提供两类静态函数分别是park和unpark，即阻塞与唤醒线程，下面是两段代码示例

示例-1

    public static void main(String[] agrs) throws InterruptedException {
        Thread th = new Thread(() -> {
            //阻塞当前线程
            LockSupport.park();
            System.out.println("子线程执行---------");
        });
        th.start();
        //睡眠2秒
        Thread.sleep(2000);
        System.out.println("主线程执行---------");
        //唤醒线程
        LockSupport.unpark(th);
    }
}

输出结果：
主线程执行---------
子线程执行---------

上述示例中，子线程th调用LockSupport.park()阻塞，主线程睡眠2秒后，执行LockSupport.unpark(th)唤醒th线程，先阻塞后唤醒非常好理解，接下来读者们再看下面的示例

示例-2

    public static void main(String[] agrs) throws InterruptedException {
        Thread th = new Thread(() -> {
            //唤醒当前线程
            LockSupport.unpark(Thread.currentThread());
            //阻塞当前线程
            LockSupport.park();
            System.out.println("子线程执行---------");
        });
        th.start();
        //睡眠2秒
        Thread.sleep(2000);
        System.out.println("主线程执行---------");
    }

输出结果：
子线程执行---------
主线程执行---------

嗯？先唤醒th线程，再阻塞th线程，最终th线程没有被阻塞，这是为什么？下面LockSupport的设计思路会为读者们解开疑惑，并更进一步明确是park和unpark的语义（从广义上来说park和unpark代表阻塞和唤醒）。

设计思路

LockSupport的设计思路是通过许可证来实现的，就像汽车上高速公路，入口处要获取通行卡，出口处要交出通行卡，如果没有通行卡你就无法出站，当然你可以选择补一张通行卡。

LockSupport会为使用它的线程关联一个许可证（permit）状态，permit的语义「是否拥有许可」，0代表否，1代表是，默认是0。

  • LockSupport.unpark：指定线程关联的permit直接更新为1，如果更新前的permit<1，唤醒指定线程
  • LockSupport.park：当前线程关联的permit如果>0，直接把permit更新为0，否则阻塞当前线程

写给小白看的LockSupport

  • 线程A执行LockSupport.park，发现permit为0，未持有许可证，阻塞线程A
  • 线程B执行LockSupport.unpark（入参线程A），为A线程设置许可证，permit更新为1，唤醒线程A
  • 线程B流程结束
  • 线程A被唤醒，发现permit为1，消费许可证，permit更新为0
  • 线程A执行临界区
  • 线程A流程结束

经过上面的分析得出结论unpark的语义明确为「使线程持有许可证」，park的语义明确为「消费线程持有的许可」，所以unpark与park的执行顺序没有强制要求，只要控制好使用的线程即可，unpark=>park执行流程如下

写给小白看的LockSupport

  • permit默认是0，线程A执行LockSupport.unpark，permit更新为1，线程A持有许可证
  • 线程A执行LockSupport.park，此时permit是1，消费许可证，permit更新为0
  • 执行临界区
  • 流程结束

最后再补充下park注意点，因park阻塞的线程不仅仅会被unpark唤醒，还可能会被线程中断（Thread.interrupt）唤醒，而且不会抛出InterruptedException异常，所以建议在park后自行判断线程中断状态，来做对应的业务处理。

优点

为什么推荐使用LockSupport来做线程的阻塞与唤醒（线程间协同工作），因为它具备如下优点

  • 以线程为操作对象更符合阻塞线程的直观语义
  • 操作更精准，可以准确地唤醒某一个线程（notify随机唤醒一个线程，notifyAll唤醒所有等待的线程）
  • 无需竞争锁对象（以线程作为操作对象），不会因竞争锁对象产生死锁问题
  • unpark与park没有严格的执行顺序，不会因执行顺序引起死锁问题，比如「Thread.suspend和Thread.resume」没按照严格顺序执行，就会产生死锁

另外LockSupport还提供了park的重载函数，提升灵活性

  • void parkNanos(long nanos)：增加了超时机制
  • void parkUntil(long deadline)：加入超时机制（指定到某个时间点，1970年到指定时间点的毫秒数）
  • void park(Object blocker)：设置blocker对象，当线程没有许可证被阻塞时，该对象会被记录到该线程的内部，方便后续使用诊断工具进行问题排查
  • void parkNanos(Object blocker, long nanos)：设置blocker对象，加入超时机制
  • void parkUntil(Object blocker, long deadline)：设置blocker对象，加入超时机制（指定到某个时间点，1970年到指定时间点的毫秒数）

建议使用时，传入blocker对象，至于超时根据业务场景选择

实践

使用LockSupport来完成一道阿里经典的多线程协同工作面试题。

有3个独立的线程，一个只会输出A，一个只会输出B，一个只会输出C，在三个线程启动的情况下，请用合理的方式让他们按顺序打印ABCABC。

思路如下

  • 准备3个线程，分别固定打印A、B、C
  • 线程输出完A、B、C后需要阻塞等待唤醒
  • 额外准备第4个线程，作为另外3个线程的调度器，有序的控制3个线程执行

是不是很简单，下面通过代码来实践

    public static void main(String[] agrs) throws InterruptedException {

        LockSupportMain lockSupportMain = new LockSupportMain();

        //定义线程t1、t2、t3执行的函数方法
        Consumer<String> consumer = str -> {
            while (true) {
                //线程消费许可证，并传入blocker，方便后续排查问题
                LockSupport.park(lockSupportMain);
                //防止线程是因中断操作唤醒
                if (Thread.currentThread().isInterrupted()){
                    throw new RuntimeException("线程被中断，异常结束");
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + str);
            }
        };

        /**
         * 定义分别输出A、B、C的线程
         */
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            consumer.accept("A");
        },"T1");
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            consumer.accept("B");
        },"T2");
        Thread t3 = new Thread(() -> {
            consumer.accept("C");
        },"T3");

        /**
         * 定义调度线程
         */
        Thread dispatch = new Thread(() -> {
            int i=0;
            try {
                while (true) {
                    if((i%3)==0) {
                        //线程t1设置许可证，并唤醒线程t1
                        LockSupport.unpark(t1);
                    }else if((i%3)==1) {
                        //线程t2设置许可证，并唤醒线程t2
                        LockSupport.unpark(t2);
                    }else {
                        //线程t3设置许可证，并唤醒线程t3
                        LockSupport.unpark(t3);
                    }
                    i++;
                    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(500);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });

        //启动相关线程
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
        dispatch.start();

    }

输出内容：
T1:A
T2:B
T3:C
T1:A
T2:B
T3:C
T1:A
T2:B
T3:C

最后再留个题目给读者们思考，使用包含但不限于Synchronized、ReentrantLock来完成这个功能

唠叨唠叨

LockSupport十分简单好用，是作为并发编程的必备基础，阿星觉得是十分有必要掌握的，所以出了这篇文章，后续的计划安排AbstractQueuedSynchronizer、ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock文章，大概两周内出一篇，因为最近公司业务比较忙，所以周更有点困难，但是阿星会尽力做到周更，如果觉得阿星的文章对您有帮助，也请一键三连支持阿星（点赞、再看、转发）

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