AQS阻塞唤醒工具LockSupport

LockSupport在JDK源码中描述为:构建锁和其他同步类的基本线程阻塞原语,构建更高级别的同步工具集。LockSupport提供的park/unpark从线程的粒度上进行阻塞和唤醒,park/unpark模型真正解耦了线程之间的同步,线程之间不再需要一个Object或者其它变量来存储状态。

本文从阻塞唤醒的语义入手,解释LockSupport的内在机制和注意点,最后与Object的wait和notify做对比,包括以下内容:

  • 阻塞和唤醒的语义
  • 许可机制
  • 底层实现
  • 用法
  • 与Object的wait和notify区别

阻塞的语义

阻塞是线程在满足某种条件之前暂时停止运行,而被动释放出CPU资源。进入该状态的线程不会主动进入线程队列等待CPU资源,而需要等待满足条件后被唤醒,才能让该线程重新进入到线程队列中排队等待CPU资源。一般造成线程阻塞的原因有:等待获取一个已经被其他线程持有的排他锁、等待某一操作结束、等待某一个时间段。线程阻塞后会被挂起,此时会处于BLOCKEDWAITINGTIMED_WAITING。线程阻塞后会让出CPU资源,这是为避免在自旋上浪费过多的CPU资源,是忙等待(busy wait)的一种优化。

许可机制

LockSupport通过“许可”(permit)机制,使用park/unpark实现线程的阻塞和唤醒。许可是指允许线程继续执行,是线程执行的开关,当开关关闭时,线程会阻塞,当开关打开时,线程会立即执行。

park意指线程在获取许可之前会暂停执行(阻塞在获取许可)。这里的“许可”与线程相关联,类似二元信号量,不可叠加且一个线程只能有一个。有些文章描述“许可”是一次性的,例如当线程A调用park消耗掉一个“许可”(最多只有一个“许可”),在未调用unpark释放出线程A的该“许可”之前,线程A再次调用park时会阻塞在获取“许可”。下文引自Understanding JVM Thread States

there can be only one permit per thread, when thread consumes the permit, it disappears.

出于线程调度的目的,调用park时会阻塞直到许可可用时。如果许可可用,调用park就会立即返回。当前线程就会阻塞,直到调用 unpark 方法,释放出许可。由于许可是默认被占用的,当前线程在启动后调用 park 的话就获取不到许可,因此就进入阻塞状态。

底层实现

LockSupport是使用Unsafe的park实现的,HotSpot Parker用condition和mutex维护了一个_counter变量,park时,变量_counter置为0,unpark时,变量_counter置为1。park操作检查该值是否为1,为1直接返回;不为1,则阻塞。

用法

看到一个关于park/unpark通俗易懂的的例子,代码如下:

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public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread threadA = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("周末了我在打游戏");
LockSupport.park();
System.out.println("陪女朋友逛逛街");
}
});
threadA.start();
Thread.sleep(3000);
System.out.println("女朋友准备要喊男朋友逛街");
LockSupport.unpark(threadA);
}

在第6行park执行操作时,线程尝试获取许可,由于线程threadA在启动后默认已经获取了许可,park必须等待许可释放后才可以执行。当主线程调用unpark方法释放threadA的许可,threadA才可以继续执行第7行。

与wait和notify区别

park/unpark与wati/notify都提供阻塞唤醒的功能,用做线程间同步,不过两者 的粒度不同,park/unpark作用在线程上,而wait/notify作用在对象上,二者没有交集。Object的wait/notify使用前必须获取对象的监视器,而park/unpark不需要。

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参考

  1. Java的LockSupport.park()实现分析
  2. java线程阻塞中断和LockSupport的常见问题
  3. 多线程之Java线程阻塞与唤醒
  4. Understanding JVM Thread States
  5. java并发包系列—LockSupport
  6. Java并发包源码学习之AQS框架(三)LockSupport和interrupt