【JUC】JDK1.8源码分析之LockSupport（一）

一、前言

　　最开始打算分析ReentrantLock，但是分析到最后，发现离不开LockSuport的支持，所以，索性就先开始分析LockSupport，因为它是锁中的基础，是一个提供锁机制的工具类，所以先对其进行分析。

二、LockSupport源码分析

　　2.1 类的属性　

public class LockSupport {
    // Hotspot implementation via intrinsics API
    private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;
    // 表示内存偏移地址
    private static final long parkBlockerOffset;
    // 表示内存偏移地址
    private static final long SEED;
    // 表示内存偏移地址
    private static final long PROBE;
    // 表示内存偏移地址
    private static final long SECONDARY;
    
    static {
        try {
            // 获取Unsafe实例
            UNSAFE = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
            // 线程类类型
            Class<?> tk = Thread.class;
            // 获取Thread的parkBlocker字段的内存偏移地址
            parkBlockerOffset = UNSAFE.objectFieldOffset
                (tk.getDeclaredField("parkBlocker"));
            // 获取Thread的threadLocalRandomSeed字段的内存偏移地址
            SEED = UNSAFE.objectFieldOffset
                (tk.getDeclaredField("threadLocalRandomSeed"));
            // 获取Thread的threadLocalRandomProbe字段的内存偏移地址
            PROBE = UNSAFE.objectFieldOffset
                (tk.getDeclaredField("threadLocalRandomProbe"));
            // 获取Thread的threadLocalRandomSecondarySeed字段的内存偏移地址
            SECONDARY = UNSAFE.objectFieldOffset
                (tk.getDeclaredField("threadLocalRandomSecondarySeed"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }
}

　　说明：UNSAFE字段表示sun.misc.Unsafe类，查看其源码，点击在这里，一般程序中不允许直接调用，而long型的表示实例对象相应字段在内存中的偏移地址，可以通过该偏移地址获取或者设置该字段的值。

　　2.2 类的构造函数　

// 私有构造函数，无法被实例化
private LockSupport() {}

　　说明：LockSupport只有一个私有构造函数，无法被实例化。

　　2.3 核心函数分析

　　在分析LockSupport函数之前，先引入sun.misc.Unsafe类中的park和unpark函数，因为LockSupport的核心函数都是基于Unsafe类中定义的park和unpark函数，下面给出两个函数的定义。　　

public native void park(boolean isAbsolute, long time);
public native void unpark(Thread thread);

　　说明：对两个函数的说明如下

　　① park函数，阻塞线程，并且该线程在下列情况发生之前都会被阻塞：① 调用unpark函数，释放该线程的许可。② 该线程被中断。③ 设置的时间到了。并且，当time为绝对时间时，isAbsolute为true，否则，isAbsolute为false。当time为0时，表示无限等待，直到unpark发生。

　　② unpark函数，释放线程的许可，即激活调用park后阻塞的线程。这个函数不是安全的，调用这个函数时要确保线程依旧存活。

　　1. park函数　

　　park函数有两个重载版本，方法摘要如下　　

public static void park()；
public static void park(Object blocker)；

　　说明：两个函数的区别在于park()函数没有没有blocker，即没有设置线程的parkBlocker字段。park(Object)型函数如下。

public static void park(Object blocker) {
        // 获取当前线程
        Thread t = Thread.currentThread();
        // 设置Blocker
        setBlocker(t, blocker);
        // 获取许可
        UNSAFE.park(false, 0L);
        // 重新可运行后再此设置Blocker
        setBlocker(t, null);
    }

　　说明：调用park函数时，首先获取当前线程，然后设置当前线程的parkBlocker字段，即调用setBlocker函数，之后调用Unsafe类的park函数，之后再调用setBlocker函数。那么问题来了，为什么要在此park函数中要调用两次setBlocker函数呢？原因其实很简单，调用park函数时，当前线程首先设置好parkBlocker字段，然后再调用Unsafe的park函数，此后，当前线程就已经阻塞了，等待该线程的unpark函数被调用，所以后面的一个setBlocker函数无法运行，unpark函数被调用，该线程获得许可后，就可以继续运行了，也就运行第二个setBlocker，把该线程的parkBlocker字段设置为null，这样就完成了整个park函数的逻辑。如果没有第二个setBlocker，那么之后没有调用park(Object blocker)，而直接调用getBlocker函数，得到的还是前一个park(Object blocker)设置的blocker，显然是不符合逻辑的。总之，必须要保证在park(Object blocker)整个函数执行完后，该线程的parkBlocker字段又恢复为null。所以，park(Object)型函数里必须要调用setBlocker函数两次。setBlocker方法如下。　

private static void setBlocker(Thread t, Object arg) {
        // 设置线程t的parkBlocker字段的值为arg
        UNSAFE.putObject(t, parkBlockerOffset, arg);
    }

　　说明：此方法用于设置线程t的parkBlocker字段的值为arg。

　　另外一个无参重载版本，park()函数如下。　　

public static void park() {
    // 获取许可，设置时间为无限长，直到可以获取许可
        UNSAFE.park(false, 0L);
}

　　说明：调用了park函数后，会禁用当前线程，除非许可可用。在以下三种情况之一发生之前，当前线程都将处于休眠状态，即下列情况发生时，当前线程会获取许可，可以继续运行。

　　① 其他某个线程将当前线程作为目标调用 unpark。

　　② 其他某个线程中断当前线程。

　　③ 该调用不合逻辑地（即毫无理由地）返回。

　　2. parkNanos函数

　　此函数表示在许可可用前禁用当前线程，并最多等待指定的等待时间。具体函数如下。

public static void parkNanos(Object blocker, long nanos) {
        if (nanos > 0) { // 时间大于0
            // 获取当前线程
            Thread t = Thread.currentThread();
            // 设置Blocker
            setBlocker(t, blocker);
            // 获取许可，并设置了时间
            UNSAFE.park(false, nanos);
            // 设置许可
            setBlocker(t, null);
        }
    }

　　说明：该函数也是调用了两次setBlocker函数，nanos参数表示相对时间，表示等待多长时间。

　　3. parkUntil函数

　　此函数表示在指定的时限前禁用当前线程，除非许可可用。具体函数如下。　　

public static void parkUntil(Object blocker, long deadline) {
        // 获取当前线程
        Thread t = Thread.currentThread();
        // 设置Blocker
        setBlocker(t, blocker);
        UNSAFE.park(true, deadline);
        // 设置Blocker为null
        setBlocker(t, null);
    }

　　说明：该函数也调用了两次setBlocker函数，deadline参数表示绝对时间，表示指定的时间。

　　4. unpark函数

　　此函数表示如果给定线程的许可尚不可用，则使其可用。如果线程在 park 上受阻塞，则它将解除其阻塞状态。否则，保证下一次调用 park 不会受阻塞。如果给定线程尚未启动，则无法保证此操作有任何效果。具体函数如下。　　

public static void unpark(Thread thread) {
        if (thread != null) // 线程为不空
            UNSAFE.unpark(thread); // 释放该线程许可
    }

　　说明：释放许可，指定线程可以继续运行。

三、示例说明

　　3.1 实现两线程同步

　　1. 使用wait/notify实现　　

package com.hust.grid.leesf.locksupport;

class MyThread extends Thread {
    
    public void run() {
        synchronized (this) {
            System.out.println("before notify");            
            notify();
            System.out.println("after notify");    
        }
    }
}

public class WaitAndNotifyDemo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MyThread myThread = new MyThread();            
        synchronized (myThread) {
            try {        
                myThread.start();
                // 主线程睡眠3s
                Thread.sleep(3000);
                System.out.println("before wait");
                // 阻塞主线程
                myThread.wait();
                System.out.println("after wait");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }            
        }        
    }
}

　　运行结果　

before wait
before notify
after notify
after wait

　　说明：具体的流程图如下

　　

　　使用wait/notify实现同步时，必须先调用wait，后调用notify，如果先调用notify，再调用wait，将起不了作用。具体代码如下　　

package com.hust.grid.leesf.locksupport;

class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        synchronized (this) {
            System.out.println("before notify");            
            notify();
            System.out.println("after notify");    
        }
    }
}

public class WaitAndNotifyDemo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MyThread myThread = new MyThread();        
        myThread.start();
        // 主线程睡眠3s
        Thread.sleep(3000);
        synchronized (myThread) {
            try {        
                System.out.println("before wait");
                // 阻塞主线程
                myThread.wait();
                System.out.println("after wait");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }            
        }        
    }
}

　　运行结果：　　

before notify
after notify
before wait

　　说明：由于先调用了notify，再调用的wait，此时主线程还是会一直阻塞。

　　3.2 使用park/unpark实现　

package com.hust.grid.leesf.entry;

import java.util.concurrent.locks.LockSupport;

class MyThread extends Thread {
    private Object object;

    public MyThread(Object object) {
        this.object = object;
    }

    public void run() {
        System.out.println("before unpark");
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        // 获取blocker
        System.out.println("Blocker info " + LockSupport.getBlocker((Thread) object));
        // 释放许可
        LockSupport.unpark((Thread) object);
        // 休眠500ms，保证先执行park中的setBlocker(t, null);
        try {
            Thread.sleep(500);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        // 再次获取blocker
        System.out.println("Blocker info " + LockSupport.getBlocker((Thread) object));

        System.out.println("after unpark");
    }
}

public class test {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread myThread = new MyThread(Thread.currentThread());
        myThread.start();
        System.out.println("before park");
        // 获取许可
        LockSupport.park("ParkAndUnparkDemo");
        System.out.println("after park");
    }
}

　　运行结果：　　

before park
before unpark
Blocker info ParkAndUnparkDemo
after park
Blocker info null
after unpark

　　说明：本程序先执行park，然后在执行unpark，进行同步，并且在unpark的前后都调用了getBlocker，可以看到两次的结果不一样，并且第二次调用的结果为null，这是因为在调用unpark之后，执行了Lock.park(Object blocker)函数中的setBlocker(t, null)函数，所以第二次调用getBlocker时为null。

　　上例是先调用park，然后调用unpark，现在修改程序，先调用unpark，然后调用park，看能不能正确同步。具体代码如下　　

package com.hust.grid.leesf.locksupport;

import java.util.concurrent.locks.LockSupport;

class MyThread extends Thread {
    private Object object;

    public MyThread(Object object) {
        this.object = object;
    }

    public void run() {
        System.out.println("before unpark");        
        // 释放许可
        LockSupport.unpark((Thread) object);
        System.out.println("after unpark");
    }
}

public class ParkAndUnparkDemo {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread myThread = new MyThread(Thread.currentThread());
        myThread.start();
        try {
            // 主线程睡眠3s
            Thread.sleep(3000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("before park");
        // 获取许可
        LockSupport.park("ParkAndUnparkDemo");
        System.out.println("after park");
    }
}

　　运行结果：

before unpark
after unpark
before park
after park

　　说明：可以看到，在先调用unpark，再调用park时，仍能够正确实现同步，不会造成由wait/notify调用顺序不当所引起的阻塞。因此park/unpark相比wait/notify更加的灵活。

　　2. 中断响应

　　看下面示例　　

package com.hust.grid.leesf.locksupport;

import java.util.concurrent.locks.LockSupport;

class MyThread extends Thread {
    private Object object;

    public MyThread(Object object) {
        this.object = object;
    }

    public void run() {
        System.out.println("before interrupt");        
        try {
            // 休眠3s
            Thread.sleep(3000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }    
        Thread thread = (Thread) object;
        // 中断线程
        thread.interrupt();
        System.out.println("after interrupt");
    }
}

public class InterruptDemo {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread myThread = new MyThread(Thread.currentThread());
        myThread.start();
        System.out.println("before park");
        // 获取许可
        LockSupport.park("ParkAndUnparkDemo");
        System.out.println("after park");
    }
}

　　运行结果：　

before park
before interrupt
after interrupt
after park

　　说明：可以看到，在主线程调用park阻塞后，在myThread线程中发出了中断信号，此时主线程会继续运行，也就是说明此时interrupt起到的作用与unpark一样。

四、总结

　　LockSupport用来创建锁和其他同步类的基本线程阻塞原语。简而言之，当调用LockSupport.park时，表示当前线程将会等待，直至获得许可，当调用LockSupport.unpark时，必须把等待获得许可的线程作为参数进行传递，好让此线程继续运行。

　　经过研究LockSupport源码，对LockSupport的工作机制有了详细的了解，阅读源码受益匪浅，谢谢各位园友观看~