JUC(6) : LockSupport | 优雅的线程通信工具

亦凉 2023-09-23 18:27 35阅读 0赞

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## 一、前言 ##

前文介绍了 CompletableFuture 和 线程池的几种对线程的管理方式后，本质上，通过这些工具，可以直接帮我们对线程进行很好的管理和运作，什么时间需要启动哪个线程，以及线程的执行顺序等。毕竟，线程间的通信技术是非常有价值的，如果仅仅是孤立的运行各个线程不产生任何协作，那多线程也就失去了更多利用价值。本文再一种 JDK 自带的线程等待唤醒机制--LockSupport，通过它的使用，可以学习更优雅的线程间通信技术，同时为后续的 AQS 的学习做好准备。

## 二、概述 ##

### 2.1 LockSupport 介绍 ###

LockSupport 是 java.util.concurrent.locks 包下的一个工具类。

LockSupport 可以类比于一个列车检票员的角色，每个进入的线程都得亮出自己的 “车票” ，如果有车票，那列车员就会在你的车票上剪出一个口子，这样你的车票就相当于销毁了，无法用这个票上其他的车，如果没有车票就拒之门外，无法上车，如果你想买票，它也可以让你买一张车票。

分析它的特点：

*  1、如果有 “车票” ，就放你通过，同时你的 车票会销毁。
 *  2、如果没有车票，则阻塞，无法通信。
 *  3、车票最多只有一张。

> LockSupport 是用于创建锁和其他同步类的基本线程的阻塞原语。
> 
> LockSupport 不支持构造（private 修饰），主要的作用是阻塞和唤醒线程，提供了一堆 static 方法，例如 park 和 unpark，用于停车和发车的动作。park 消耗一个车票，unpark 新增一个车票，车票最多只有一个。

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主要有如上的静态方法，常用的 park 和 unpark 需要承成对使用，类比于 Object 的 wait 和 notify 为一对。

**permit**：

LockSupport 的设计思路是为每个线程设置一个 permit，其实就是一个值。

这个值默认就是 0，有0和1两种值，0代表许可证不可用；1 代表许可证可用。

*  调用 park 方法进行减一 扣除许可证，调用 unPark 方法进行加一，将许可证置为可用。

*  当为 0 时，无论 park 多少次，都只能为0；
 *  当为 1 时，无论 unpark 多少次，最大只能为 1。

### 2.2 入门使用 ###

@Test
     public void testLockSupport() {
         Thread parkThread = new Thread(() -> {
             System.out.println("开始线程阻塞");
             LockSupport.park();
             System.out.println("结束线程阻塞");
         });
         parkThread.start();
         System.out.println("开始线程唤醒");
         LockSupport.unpark(parkThread);
         System.out.println("结束线程唤醒");
     }
    复制代码

这串代码最终 parkThread 会在 unpark 线程后才会结束线程阻塞，这也说明了 LockSupport 可以对线程进行阻塞和唤醒的操作，阻塞时可以传入具体线程进行唤醒。

## 三、三种线程间通信 ##

介绍三种对线程等待和唤醒的方法。

*  1、使用 Object 种的 wait（）方法让线程等待，使用 Object种的 notify（）方法唤醒线程；
 *  2、使用 JUC 包种 Condition 的 await（）方法让线程等待，使用 signal（）方法唤醒线程；
 *  3、LockSupport 类可以阻塞当前线程以及唤醒指定被阻塞的线程。

### 3.1 Object 的wait 和 notify 方法实现线程等待和唤醒 ###

使用该方法有两个问题：

*  1）要使用 Object 的wait 和 notify，必须要用个对象锁，才能使用
 *  2）先 wait 后 notify 才 OK

#### 3.1.1 无对象锁 ####

public class ThreadCommunication {
         public static void main(String[] args) {
             Resource resource = new Resource();
             new Thread(()->{
                 for (int i = 0; i < 5; i++) {
                     resource.decr();
                 }
             },"减一线程").start();
             new Thread(()->{
                 for (int i = 0; i < 5; i++) {
                     resource.incr();
                 }
             },"加一线程").start();
         }
     }
    复制代码

/**
      * 锁唤醒机制实现
      */
     // 资源类
     class Resource{
         // 加减对象
         private int number = 0;
         // 加法
         public  void incr(){
             try {
             while (number!=0){
                 this.wait();
             }
             number++;
             System.out.println("------- " + Thread.currentThread().getName() + "加一成功------------ ,值为:" + number);
                 notify();
             }
             catch (InterruptedException e) {
                 throw new RuntimeException(e);
             }
         }
         public  void decr(){
             try {
                 while (number==0){
                     this.wait();
                 }
                 number--;
                 System.out.println("------- " + Thread.currentThread().getName() + "减一成功------------ ,值为:" + number);
                 notify();
             }
             catch (InterruptedException e) {
                 throw new RuntimeException(e);
             }
         }
     }
    复制代码

两个方法上没有对象锁。

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#### 3.1.2 先 notify 后 wait ####

* 3 将notify放在wait方法前先执行，t1先notify了，3秒钟后t2线程再执行wait方法
      *   3.1 程序一直无法结束
      *   3.2 结论
      *   先wait后notify、notifyall方法，等待中的线程才会被唤醒，否则无法唤醒
      */
     public class LockSupportDemo
     {
     
         public static void main(String[] args)//main方法，主线程一切程序入口
         {
             Object objectLock = new Object(); //同一把锁，类似资源类
     
             new Thread(() -> {
                 synchronized (objectLock) {
                     objectLock.notify();
                 }
                 System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"通知了");
             },"t1").start();
     
             //t1先notify了，3秒钟后t2线程再执行wait方法
             try { TimeUnit.SECONDS.sleep(3L); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
     
             new Thread(() -> {
                 synchronized (objectLock) {
                     try {
                         objectLock.wait();
                     } catch (InterruptedException e) {
                         e.printStackTrace();
                     }
                 }
                 System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"被唤醒了");
             },"t2").start();
         }
     }
    复制代码

先wait后notify、notifyall方法，等待中的线程才会被唤醒，否则无法唤醒.

### 3.2 Condition 接口的 await 和 signal 方法实现线程的等待和唤醒 ###

#### 3.2.1 正常使用 ####

/**
      * 使用 Condition 来实现线程通信
      * 此时，完成案例：三个线程依次打印 A、B、C
      * @Author xiaolei
      * @Date 2022/12/9 13:30
      **/
     public class ConditionCommunication {
         public static void main(String[] args) {
             Resource2 resource2 = new Resource2();
             new Thread(()->{
                 for (int i = 0; i < 10; i++) {
                     resource2.soutA();
                 }
             },"线程A").start();
             new Thread(()->{
                 for (int i = 0; i < 10; i++) {
                     resource2.soutB();
                 }
             },"线程B").start();
             new Thread(()->{
                 for (int i = 0; i < 10; i++) {
                     resource2.soutC();
                 }
             },"线程C").start();
         }
     }
     class Resource2{
         private int number =0;
         ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
         Condition condition = lock.newCondition();
         Condition condition2 = lock.newCondition();
         Condition condition3 = lock.newCondition();
     
         public void soutA(){
             lock.lock();
             try {
                 while (number!=0){
                     condition.await();
                 }
                 System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"输出A");
                 System.out.println("A");
                 number=1;
                 // signal 是精准唤醒线程，而 notify 是随机唤醒
                 condition2.signal();
             }catch (Exception e){
     
             }finally {
                 lock.unlock();
             }
         }
         public void soutB(){
             lock.lock();
             try {
                 while (number!=1){
                     condition2.await();
                 }
                 System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"输出B");
                 System.out.println("B");
                 number=2;
                 condition3.signal();
             }catch (Exception e){
     
             }finally {
                 lock.unlock();
             }
         }
         public void soutC(){
             lock.lock();
             try {
                 while (number!=2){
                     condition3.await();
                 }
                 System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"输出C");
                 System.out.println("C");
                 number=0;
                 condition.signal();
             }catch (Exception e){
     
             }finally {
                 lock.unlock();
             }
         }
     }
    复制代码

#### 3.2.2 异常两种情况 ####

1）去掉 Lock 和 unLock 后，会触发同样的都触发了IllegalMonitorStateException异常 。使用这个必须配合 Lock 和 unLock 使用

2）如果先唤醒后阻塞，那么程序会一直阻塞，注意执行顺序。

### 3.3 LockSupport 的 park 和 unPark ###

按顺序打印 A、B、C 三个数。

public class LockSupportCommDemoV2 {
     
         public static void main(String[] args) {
             Thread t1 = new Thread(new Resource4("A"));
             Thread t2 = new Thread(new Resource4("B"));
             Thread t3 = new Thread(new Resource4("C"));
             t1.start();
             t2.start();
             t3.start();
             // 发车
             LockSupport.unpark(t1);
             for (int i = 0; i < 12; i++) {
                 if(i%3==0){
                     LockSupport.unpark(t1);
                 }else if(i%3 ==1){
                     LockSupport.unpark(t2);
                 }else{
                     LockSupport.unpark(t3);
                 }
                 try {
                     Thread.sleep(1000);
                 } catch (InterruptedException e) {
                 }
             }
         }
     }
     class Resource4 implements Runnable{
         private String number;
        public Resource4(String number){
            this.number = number;
        }
         @Override
         public void run() {
             while (true){
                 System.out.println(this.number);
                 LockSupport.park(this);
             }
         }
     }
    复制代码

LockSupport 是 JDK 中用来实现线程阻塞和唤醒的工具，使用它可用在任何场合使线程阻塞，可用指定任何线程进行唤醒，并且不用担心阻塞和唤醒操作的顺序，连续多次唤醒和一次唤醒的效果是一样的。

与其他的区别：

*  可用先唤醒后等待
 *  简洁优雅使用，无需结束 对象锁 或 lock\\unLock 实现。

*  三种实现机制不同，unpark 无法对 wait 进行唤醒，notify 也无法对 park 进行唤醒。

## 四、源码分析 ##

LockSupport 和 CAS 是 Java 并发包中很多并发工具控制机制的基础，它们的底层都是依赖 UnSafe 实现的（后续章节再介绍）。

这个类与使用它的每个线程关联一个许可证（类似 Semaphore 信号量），如果许可证可用，就停车呼叫将立即返回，并在过程中使用掉该许可证；否则它就阻塞。调用 unPark 将使许可证可用（许可证最多一个）。

该方法被设计用于创建更高级别的同步实用程序工具，而这些方法本身对大多数并发控制应用程序并不有用，park 方法仅适用于以下结构。

while (!canProceed()) { 
       ... 
       LockSupport.park(this); 
     }
    复制代码

即我们最好按照这种格式来写我们的 LockSupport 代码，通过 while 条件 判断共享资源是否满足条件，然后再通过 是否进行 park 消费，因为一旦执行这句话，它就会立马返回结果。

### 4.1 park 方法 ###

Disables the current thread for thread scheduling purposes unless the permit is available.(除非我能获取许可证，否则我就禁用该线程)

If the permit is available then it is consumed and the call returns immediately; (如果给我的许可证可用，我就消费它，然后**立即**返回)

otherwise the current thread becomes disabled for thread scheduling purposes and lies dormant until one of three things happens:（否则当前线程就会一直阻塞直到下面三种情况）

*  Some other thread invokes unpark with the current thread as the target; or（其他线程以当前线程为目标调用 unPark）
 *  Some other thread interrupts the current thread; or （其他线程中断当前线程）
 *  The call spuriously (that is, for no reason) returns.（或错误返回，即没有原因的）

// 阻塞当前线程，并把当前线程的 parkBlocker 字段设置为 blocker
      public static void park(Object blocker) {
             // 获取当前线程
             Thread t = Thread.currentThread();
              //将当前线程的parkBlocker字段设置为blocker
             setBlocker(t, blocker);
             //阻塞当前线程，第一个参数表示isAbsolute，是否为绝对时间，第二个参数就是代表时间
             UNSAFE.park(false, 0L);
              //重新可运行后再此设置Blocker
             setBlocker(t, null);
         }
    复制代码

调用 park 方法时，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，然后才调用 UNSAFE 的park 方法，后又调用 setBlocker ，为什么调用两次呢？

//设置线程t的parkBlocker字段的值为arg
     private static void setBlocker(Thread t, Object arg) {
         // Even though volatile, hotspot doesn't need a write barrier here.
         //尽管hotspot易变，但在这里并不需要写屏障。
         UNSAFE.putObject(t, parkBlockerOffset, arg);
     }
    复制代码

因为 在执行到 UNSAFE.park 的时候，这个线程已经阻塞到这里了，我告知其他线程，这个线程已经阻塞了，然后再进行 park，当其他线程调用 unpark 时，就执行第二个 setBlocker，然后它就知道，我解放了，然后将这个线程的 blocker 设置为 null。

### 4.2 unpark 方法 ###

将指定的线程许可置为可用，也就相当于唤醒了阻塞对象。

public static void unpark(Thread thread) {
             if (thread != null)
                 UNSAFE.unpark(thread);
         }
    复制代码

## 五、小结 ##

LockSupport 本身的方法非常少，作为一个工具类使用，提供接口间接操作 Unsafe 类，源码也不多，对比之前学的线程通信方式更为优雅，另外，多了解一种线程通信方法，然后对后续的深入学习来说，这个类还是非常有必要学习了解的。

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