浅谈Java并发编程系列（八）—— LockSupport原理剖析

LockSupport 用法简介

LockSupport 和 CAS 是Java并发包中很多并发工具控制机制的基础，它们底层其实都是依赖Unsafe实现。

LockSupport是用来创建锁和其他同步类的基本线程阻塞原语。LockSupport 提供park()和unpark()方法实现阻塞线程和解除线程阻塞，LockSupport和每个使用它的线程都与一个许可(permit)关联。permit相当于1，0的开关，默认是0，调用一次unpark就加1变成1，调用一次park会消费permit, 也就是将1变成0，同时park立即返回。再次调用park会变成block（因为permit为0了，会阻塞在这里，直到permit变为1）, 这时调用unpark会把permit置为1。每个线程都有一个相关的permit, permit最多只有一个，重复调用unpark也不会积累。

park()和unpark()不会有 “Thread.suspend和Thread.resume所可能引发的死锁” 问题，由于许可的存在，调用 park 的线程和另一个试图将其 unpark 的线程之间的竞争将保持活性。

如果调用线程被中断，则park方法会返回。同时park也拥有可以设置超时时间的版本。

需要特别注意的一点：park 方法还可以在其他任何时间“毫无理由”地返回，因此通常必须在重新检查返回条件的循环里调用此方法。从这个意义上说，park 是“忙碌等待”的一种优化，它不会浪费这么多的时间进行自旋，但是必须将它与 unpark 配对使用才更高效。

三种形式的 park 还各自支持一个 blocker 对象参数。此对象在线程受阻塞时被记录，以允许监视工具和诊断工具确定线程受阻塞的原因。（这样的工具可以使用方法 getBlocker(java.lang.Thread) 访问 blocker。）建议最好使用这些形式，而不是不带此参数的原始形式。在锁实现中提供的作为 blocker 的普通参数是 this。
看下线程dump的结果来理解blocker的作用。

从线程dump结果可以看出：
有blocker的可以传递给开发人员更多的现场信息，可以查看到当前线程的阻塞对象，方便定位问题。所以java6新增加带blocker入参的系列park方法，替代原有的park方法。

看一个Java docs中的示例用法：一个先进先出非重入锁类的框架

class FIFOMutex {
    private final AtomicBoolean locked = new AtomicBoolean(false);
    private final Queue<Thread> waiters
      = new ConcurrentLinkedQueue<Thread>();
 
    public void lock() {
      boolean wasInterrupted = false;
      Thread current = Thread.currentThread();
      waiters.add(current);
 
      // Block while not first in queue or cannot acquire lock
      while (waiters.peek() != current ||
             !locked.compareAndSet(false, true)) {
        LockSupport.park(this);
        if (Thread.interrupted()) // ignore interrupts while waiting
          wasInterrupted = true;
      }

      waiters.remove();
      if (wasInterrupted)          // reassert interrupt status on exit
        current.interrupt();
    }
 
    public void unlock() {
      locked.set(false);
      LockSupport.unpark(waiters.peek());
    }
  }}

LockSupport 源码解读

1. LockSupport中主要的两个成员变量：

// Hotspot implementation via intrinsics API
    private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;
    private static final long parkBlockerOffset;

unsafe:全名sun.misc.Unsafe可以直接操控内存，被JDK广泛用于自己的包中，如java.nio和java.util.concurrent。但是不建议在生产环境中使用这个类。因为这个API十分不安全、不轻便、而且不稳定。
LockSupport的方法底层都是调用Unsafe的方法实现。

再来看parkBlockerOffset:
parkBlocker就是第一部分说到的用于记录线程被谁阻塞的，用于线程监控和分析工具来定位原因的，可以通过LockSupport的getBlocker获取到阻塞的对象。

 static {
        try {
            UNSAFE = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
            Class<?> tk = Thread.class;
            parkBlockerOffset = UNSAFE.objectFieldOffset
                (tk.getDeclaredField("parkBlocker"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
 }

从这个静态语句块可以看的出来，先是通过反射机制获取Thread类的parkBlocker字段对象。然后通过sun.misc.Unsafe对象的objectFieldOffset方法获取到parkBlocker在内存里的偏移量，parkBlockerOffset的值就是这么来的.

JVM的实现可以自由选择如何实现Java对象的“布局”，也就是在内存里Java对象的各个部分放在哪里，包括对象的实例字段和一些元数据之类。 sun.misc.Unsafe里关于对象字段访问的方法把对象布局抽象出来，它提供了objectFieldOffset()方法用于获取某个字段相对 Java对象的“起始地址”的偏移量，也提供了getInt、getLong、getObject之类的方法可以使用前面获取的偏移量来访问某个Java 对象的某个字段。

为什么要用偏移量来获取对象？干吗不要直接写个get，set方法。多简单？
仔细想想就能明白，这个parkBlocker就是在线程处于阻塞的情况下才会被赋值。线程都已经阻塞了，如果不通过这种内存的方法，而是直接调用线程内的方法，线程是不会回应调用的。

2.LockSupport的方法：

可以看到，LockSupport中主要是park和unpark方法以及设置和读取parkBlocker方法。

 private static void setBlocker(Thread t, Object arg) {
        // Even though volatile, hotspot doesn't need a write barrier here.
        UNSAFE.putObject(t, parkBlockerOffset, arg);
  }

对给定线程t的parkBlocker赋值。

    public static Object getBlocker(Thread t) {
        if (t == null)
            throw new NullPointerException();
        return UNSAFE.getObjectVolatile(t, parkBlockerOffset);
    }
  

从线程t中获取它的parkBlocker对象，即返回的是阻塞线程t的Blocker对象。

接下来主查两类方法，一类是阻塞park方法，一类是解除阻塞unpark方法

阻塞线程

• park()

public static void park() {
        UNSAFE.park(false, 0L);
}

调用native方法阻塞当前线程。

• parkNanos(long nanos)

public static void parkNanos(long nanos) {
        if (nanos > 0)
            UNSAFE.park(false, nanos);
}

阻塞当前线程，最长不超过nanos纳秒，返回条件在park()的基础上增加了超时返回。

• parkUntil(long deadline)

public static void parkUntil(long deadline) {
  UNSAFE.park(true, deadline);
}

阻塞当前线程，知道deadline时间（deadline - 毫秒数）。

JDK1.6引入这三个方法对应的拥有Blocker版本。

• park(Object blocker)

public static void park(Object blocker) {
  Thread t = Thread.currentThread();
  setBlocker(t, blocker);
  UNSAFE.park(false, 0L);
  setBlocker(t, null);
}

1) 记录当前线程等待的对象（阻塞对象）；
2) 阻塞当前线程；
3) 当前线程等待对象置为null。

• parkNanos(Object blocker, long nanos)

public static void parkNanos(Object blocker, long nanos) {
  if (nanos > 0) {
      Thread t = Thread.currentThread();
      setBlocker(t, blocker);
      UNSAFE.park(false, nanos);
      setBlocker(t, null);
  }
}

阻塞当前线程，最长等待时间不超过nanos毫秒，同样，在阻塞当前线程的时候做了记录当前线程等待的对象操作。

• parkUntil(Object blocker, long deadline)

public static void parkUntil(Object blocker, long deadline) {
  Thread t = Thread.currentThread();
  setBlocker(t, blocker);
  UNSAFE.park(true, deadline);
  setBlocker(t, null);
}

阻塞当前线程直到deadline时间，相同的，也做了阻塞前记录当前线程等待对象的操作。

唤醒线程

• unpark(Thread thread)

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

唤醒处于阻塞状态的线程Thread。