60行自己动手写LockSupport是什么体验？

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。

以上就是本篇文章的所有内容了，我是LeHung，我们下期再见！！！更多精彩内容合集可访问项目：https://github.com/Chang-LeHung/CSCore

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