沃梦达 / 编程技术 / 编程语言 / Java开发 / 正文

手写Java LockSupport的示例代码

Java开发
2023-04-17

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。本文将用60行代码实现手写LockSupport，需要的可以参考一下

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<Thread, Integer> permits; // 许可证的数量
private final HashMap<Thread, Condition> 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<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。

以上就是手写Java LockSupport的示例代码的详细内容，更多关于Java LockSupport的资料请关注编程学习网其它相关文章！

本文标题为：手写Java LockSupport的示例代码

上一篇： 详解Java类加载器与双亲委派机制
下一篇： RocketMQ特性Broker存储事务消息实现

基础教程推荐

学习HTML
学习jQuery
学习Laravel
学习CSS3
学习Vue.js
学习Bootstrap5
学习ThinkPHP
学习AJAX
猜你喜欢
最新文章
热门文章
编程基础
热门标签
网站首页 HTML/CSS 菜单 Layui Yii2