Java线程休眠(LockSupport)

Java休眠线程

Thread.sleep()

• 必须指定休眠时间

• 休眠时线程状态为TIMED_WAITTING

• 需要捕获InterrupedException异常

• 休眠期间不会释放所持有的锁

   public static void main(String[] args) {final String LOCK = "lock";new Thread(() -> {synchronized (LOCK) {System.out.println("begin to wait...");/*TODO*/try {Thread.sleep(3000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println("end to wait.");}}).start();new Thread(() -> {System.out.println("begin to acquire lock -----" + LocalDateTime.now());synchronized (LOCK) {System.out.println("acquire lock successful -----" + LocalDateTime.now());}}).start();}
  

  打印结果：

  begin to wait...
  begin to acquire lock -----2022-04-04T21:11:55.769
  end to wait.
  acquire lock successful -----2022-04-04T21:11:58.715
  

Object.wait()

• 休眠之前必须获得锁对象

• 可以通过Object.notify()和Object.notifyAll()唤醒线程，notify必须在wait之后执行，否则会丢失唤醒信号

• 休眠时线程状态为WAITTING

• 消炎药捕获InterruptedException异常

• 休眠期间会释放所持有的锁

public class WaitTest {public void testWaitMethod(Object lock) {try {synchronized (lock) {System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" begin wait()");Thread.sleep(5000);lock.wait();System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" end wait()");}} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}public void testNotifyMethod(Object lock) {synchronized (lock) {System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" begin notify()");lock.notify();System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" end notify()");}}public static void main(String[] args) {Object lock = new Object();WaitTest test = new WaitTest();Thread t1 =  new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {test.testWaitMethod(lock);}},"threadA");t1.start();Thread t2 =  new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {test.testNotifyMethod(lock);}},"threadB");t2.start();try {Thread.sleep(500000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}
}

使用wait，notify来实现等待唤醒功能至少有两个缺点：

• wait和notify都是Object中的方法,在调用这两个方法前必须先获得锁对象，这限制了其使用场合:只能在同步代码块中。
• 当对象的等待队列中有多个线程时，notify只能随机选择一个线程唤醒，无法唤醒指定的线程

LockSupport.park()

• 通过二元信号量实现的阻塞

• 休眠时线程状态为WAITTING

• LockSupport是非重入的，park()仅仅是阻塞某个线程而已，并不是“锁”

• 不需要通过InterruptedException异常

• 休眠期间不会释放所持有的锁

• 可以在任何场合使线程阻塞，同时也可以指定要唤醒的线程，相当的方便

• park支持中断唤醒，但是不会抛出InterruptedException异常，可以从isInterrupted不会清除中断标记）、interrupted（会清除中断标记）方法中获得中断标记

LockSupport是JDK中用来实现线程阻塞和唤醒的工具。使用它可以在任何场合使线程阻塞，可以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，但要注意连续多次唤醒的效果和一次唤醒是一样的。JDK并发包下的锁和其他同步工具的底层实现中大量使用了LockSupport进行线程的阻塞和唤醒，掌握它的用法和原理可以让我们更好的理解锁和其它同步工具的底层实现。

public static void main(String[] args) {final String LOCK = "lock";Thread t1 = new Thread(() -> {synchronized (LOCK) {System.out.println("begin to wait...");/*TODO*/LockSupport.park();System.out.println("end to wait.");}});t1.start();new Thread(() -> {System.out.println("begin to acquire lock -----" + LocalDateTime.now());synchronized (LOCK) {System.out.println("acquire lock successful -----" + LocalDateTime.now());}}).start();try {TimeUnit.SECONDS.sleep(5);LockSupport.unpark(t1);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}

打印结果：

begin to wait...
begin to acquire lock -----2022-04-04T22:02:08.740
end to wait.
acquire lock successful -----2022-04-04T22:02:13.709

LockSupport阻塞和唤醒线程原理

每个线程都有一个Parker实例，LockSupport就是通过控制变量**_counter**来对线程阻塞唤醒进行控制的。原理有点类似于信号量机制。

  // JSR166 per-thread parker
private:Parker*    _parker;
public:Parker*     parker() { return _parker; }

class Parker : public os::PlatformParker {
private:volatile int _counter ;...
public:void park(bool isAbsolute, jlong time);void unpark();...
}
class PlatformParker : public CHeapObj<mtInternal> {protected:pthread_mutex_t _mutex [1] ;pthread_cond_t  _cond  [1] ;...
}

• 当调用park()方法时，会将_counter置为0，同时判断前值，小于1直接退出，否则将使该线程阻塞。

• 当调用unpark()方法时，会将_counter置为1，同时判断前值，小于1会进行线程唤醒，否则直接退出。

• park()和unpark()方法实现过程？

  形象的理解，线程阻塞需要消耗凭证(permit)，这个凭证最多只有1个。

  当调用park方法时，如果有凭证，则会直接消耗掉这个凭证然后正常退出；但是如果没有凭证，就必须阻塞等待凭证可用；而unpark则相反，它会增加一个凭证，但凭证最多只能有1个。

• 为什么可以先唤醒线程后阻塞线程？

  因为unpark获得了一个凭证,之后调用park因为有凭证消费，故不会阻塞。

• 为什么唤醒两次后阻塞两次会阻塞线程？

  因为凭证的数量最多为1，连续调用两次unpark和调用一次unpark效果一样，只会增加一个凭证；而调用两次park却需要消费两个凭证。

park&unpark源码分析

在 Hotspot 源码中，unsafe.cpp 文件专门用于为 Java Unsafe 类中的各种 native 方法提供具体实现。

​ [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-QaXaRo7B-1649082201253)(E:\file\学习\课后总结\并发编程\assert\LockSupport.png)]

park和unpark的实现代码如下：

UNSAFE_ENTRY(void, Unsafe_Park(JNIEnv *env, jobject unsafe, jboolean isAbsolute, jlong time))UnsafeWrapper("Unsafe_Park");EventThreadPark event;
#ifndef USDT2HS_DTRACE_PROBE3(hotspot, thread__park__begin, thread->parker(), (int) isAbsolute, time);
#else /* USDT2 */HOTSPOT_THREAD_PARK_BEGIN((uintptr_t) thread->parker(), (int) isAbsolute, time);
#endif /* USDT2 */JavaThreadParkedState jtps(thread, time != 0);thread->parker()->park(isAbsolute != 0, time);
#ifndef USDT2HS_DTRACE_PROBE1(hotspot, thread__park__end, thread->parker());
#else /* USDT2 */HOTSPOT_THREAD_PARK_END((uintptr_t) thread->parker());
#endif /* USDT2 */if (event.should_commit()) {oop obj = thread->current_park_blocker();event.set_klass((obj != NULL) ? obj->klass() : NULL);event.set_timeout(time);event.set_address((obj != NULL) ? (TYPE_ADDRESS) cast_from_oop<uintptr_t>(obj) : 0);event.commit();}
UNSAFE_ENDUNSAFE_ENTRY(void, Unsafe_Unpark(JNIEnv *env, jobject unsafe, jobject jthread))UnsafeWrapper("Unsafe_Unpark");Parker* p = NULL;if (jthread != NULL) {oop java_thread = JNIHandles::resolve_non_null(jthread);if (java_thread != NULL) {jlong lp = java_lang_Thread::park_event(java_thread);if (lp != 0) {// This cast is OK even though the jlong might have been read// non-atomically on 32bit systems, since there, one word will// always be zero anyway and the value set is always the samep = (Parker*)addr_from_java(lp);} else {// Grab lock if apparently null or using older version of libraryMutexLocker mu(Threads_lock);java_thread = JNIHandles::resolve_non_null(jthread);if (java_thread != NULL) {JavaThread* thr = java_lang_Thread::thread(java_thread);if (thr != NULL) {p = thr->parker();if (p != NULL) { // Bind to Java thread for next time.java_lang_Thread::set_park_event(java_thread, addr_to_java(p));}}}}}}if (p != NULL) {
#ifndef USDT2HS_DTRACE_PROBE1(hotspot, thread__unpark, p);
#else /* USDT2 */HOTSPOT_THREAD_UNPARK((uintptr_t) p);
#endif /* USDT2 */p->unpark();}
UNSAFE_END

parker 类的定义如下

• Parker 类继承 os::PlatformParker。 针对不同操作系统进行适配
• 有一个 _counter 属性，_counter字段 > 0时，可以通行，即park方法会直接返回，同时_counter会被赋值为0，否则，当前线程陷入条件等待。unpark方法可以将_counter置为1，并且唤醒当前等待的线程。
• 提供了公开的 park 和 unpark 方法

// Parker 类继承 os::PlatformParker。 针对不同操作系统进行适配，比如linux在os_linux.cpp中实现了park，unpark方法
class Parker : public os::PlatformParker {
private:volatile int _counter ;  //  通行的许可证，当 _count > 0 时park方法直接返回。unpark会将_counter置为1Parker * FreeNext ;JavaThread * AssociatedWith ; // Current associationpublic:Parker() : PlatformParker() {_counter       = 0 ;FreeNext       = NULL ;AssociatedWith = NULL ;}
protected:~Parker() { ShouldNotReachHere(); }
public:// For simplicity of interface with Java, all forms of park (indefinite,// relative, and absolute) are multiplexed into one call.void park(bool isAbsolute, jlong time);void unpark();// Lifecycle operatorsstatic Parker * Allocate (JavaThread * t) ;static void Release (Parker * e) ;
private:static Parker * volatile FreeList ;static volatile int ListLock ;};

park源码分析

具体park方法实现在父类PlatformParker中。 我们可以看下linux系统下Packer的park方法实现过程 （源码文件 os_linux.cpp）

1. 判断是否需要阻塞等待，如果已经是 _counter >0, 不需要等待，将 _counter = 0 ， 返回
2. 如果 1 不成立，构造当前线程的 ThreadBlockInVM ，检查 _counter > 0 是否成立，成立则将 _counter 设置为 0， unlock mutex 返回；
3. 如果 2 不成立，当前线程需要根据时间进行不同的条件等待，如果条件满足正确返回，则将 _counter 设置为0， unlock mutex ， park 调用成功。

void Parker::park(bool isAbsolute, jlong time) {// Ideally we'd do something useful while spinning, such// as calling unpackTime().// Optional fast-path check:// Return immediately if a permit is available.// We depend on Atomic::xchg() having full barrier semantics// since we are doing a lock-free update to _counter.// 使用 xchg 指令修改为0,返回原值，原值大于0说明有通行证，直接返回  if (Atomic::xchg(0, &_counter) > 0) return;Thread* thread = Thread::current();assert(thread->is_Java_thread(), "Must be JavaThread");JavaThread *jt = (JavaThread *)thread;// Optional optimization -- avoid state transitions if there's an interrupt pending.// Check interrupt before trying to wait// 如果当前线程的中断标志位为true，直接返回，注意：不会清除中断标志位if (Thread::is_interrupted(thread, false)) {return;}// Next, demultiplex/decode time argumentstimespec absTime;if (time < 0 || (isAbsolute && time == 0) ) { // don't wait at allreturn;}if (time > 0) {unpackTime(&absTime, isAbsolute, time);}// Enter safepoint region// Beware of deadlocks such as 6317397.// The per-thread Parker:: mutex is a classic leaf-lock.// In particular a thread must never block on the Threads_lock while// holding the Parker:: mutex.  If safepoints are pending both the// the ThreadBlockInVM() CTOR and DTOR may grab Threads_lock.// 构造当前线程的 ThreadBlockInVM, 为了防止死锁等特殊场景ThreadBlockInVM tbivm(jt);// Don't wait if cannot get lock since interference arises from// unblocking.  Also. check interrupt before trying wait// 再次判断线程是否存在中断状态，如果存在，尝试获取互斥锁，如果获取失败，直接返回if (Thread::is_interrupted(thread, false) || pthread_mutex_trylock(_mutex) != 0) {return;}int status ;// 如果_counter > 0, 不需要等待if (_counter > 0)  { // no wait needed_counter = 0;  // _counter重置为0status = pthread_mutex_unlock(_mutex);  //释放互斥锁assert (status == 0, "invariant") ;// Paranoia to ensure our locked and lock-free paths interact// correctly with each other and Java-level accesses.// 插入写屏障OrderAccess::fence();return;}#ifdef ASSERT// Don't catch signals while blocked; let the running threads have the signals.// (This allows a debugger to break into the running thread.)sigset_t oldsigs;sigset_t* allowdebug_blocked = os::Linux::allowdebug_blocked_signals();pthread_sigmask(SIG_BLOCK, allowdebug_blocked, &oldsigs);
#endifOSThreadWaitState osts(thread->osthread(), false /* not Object.wait() */);jt->set_suspend_equivalent();// cleared by handle_special_suspend_equivalent_condition() or java_suspend_self()assert(_cur_index == -1, "invariant");if (time == 0) {_cur_index = REL_INDEX; // arbitrary choice when not timed// pthread_cond_wait用于阻塞当前线程，等待别的线程使用 pthread_cond_signal或pthread_cond_broadcast来唤醒它 // pthread_cond_wait内部实现：先释放mutex，然后加入waiter队列等待signal，如果有signal唤醒了该线程则后续执行重新上锁status = pthread_cond_wait (&_cond[_cur_index], _mutex) ;} else {_cur_index = isAbsolute ? ABS_INDEX : REL_INDEX;// 线程进入有超时时间的等待，内部实现调用了pthread_cond_timedwaitstatus = os::Linux::safe_cond_timedwait (&_cond[_cur_index], _mutex, &absTime) ;if (status != 0 && WorkAroundNPTLTimedWaitHang) {pthread_cond_destroy (&_cond[_cur_index]) ;pthread_cond_init    (&_cond[_cur_index], isAbsolute ? NULL : os::Linux::condAttr());}}_cur_index = -1;assert_status(status == 0 || status == EINTR ||status == ETIME || status == ETIMEDOUT,status, "cond_timedwait");#ifdef ASSERTpthread_sigmask(SIG_SETMASK, &oldsigs, NULL);
#endif// _counter重新设置为0_counter = 0 ;// 释放互斥锁status = pthread_mutex_unlock(_mutex) ;assert_status(status == 0, status, "invariant") ;// Paranoia to ensure our locked and lock-free paths interact// correctly with each other and Java-level accesses.// 插入写屏障OrderAccess::fence();// If externally suspended while waiting, re-suspendif (jt->handle_special_suspend_equivalent_condition()) {jt->java_suspend_self();}
}

unpark源码分析

我们再来看看unpark方法的实现流程（源码文件 os_linux.cpp）

1. pthread_mutex_lock 获取互斥锁
2. _counter 设置为 1
3. 判断 _counter 的旧值：

• 小于 1 时，调用 pthread_cond_signal 唤醒在 park 阻塞的线程；
• 等于 1 时，释放互斥锁

void Parker::unpark() {int s, status ;// 获取互斥锁status = pthread_mutex_lock(_mutex);assert (status == 0, "invariant") ;s = _counter;// 将_counter置为1_counter = 1;// s记录的是unpark之前的_counter旧值，如果s < 1，说明有可能该线程在等待状态，需要唤醒。if (s < 1) {// thread might be parkedif (_cur_index != -1) {// thread is definitely parkedif (WorkAroundNPTLTimedWaitHang) {// pthread_cond_signal的作用： 发送一个信号给另外一个正在处于阻塞等待状态的线程,使其脱离阻塞状态,继续执行.status = pthread_cond_signal (&_cond[_cur_index]);assert (status == 0, "invariant");status = pthread_mutex_unlock(_mutex);assert (status == 0, "invariant");} else {status = pthread_mutex_unlock(_mutex);assert (status == 0, "invariant");status = pthread_cond_signal (&_cond[_cur_index]);assert (status == 0, "invariant");}} else {//_cur_index==-1 释放互斥锁pthread_mutex_unlock(_mutex);assert (status == 0, "invariant") ;}} else {// s==1 释放互斥锁pthread_mutex_unlock(_mutex);assert (status == 0, "invariant") ;}
}

​ [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-79QvGy6D-1649082201258)(E:\file\学习\课后总结\并发编程\assert\unpark.png)]

pthread_cond_wait

pthread_cond_wait()函数等待条件变量变为真的。它需要两个参数，第一个参数就是条件变量，而第二个参数mutex是保护条件变量的互斥量。也就是说这个函数在使用的时候需要配合pthread_mutex_lock()一起使用。

pthread_mutex_lock(&mutex); 
pthread_cond_wait(&cond,&mutex);              

pthread_cond_wait() 用于阻塞当前线程，等待别的线程使用 pthread_cond_signal() 或pthread_cond_broadcast来唤醒它 。不同之处在于，pthread_cond_signal()可以唤醒至少一个线程；而pthread_cond_broadcast()则是唤醒等待该条件满足的所有线程。在使用的时候需要注意，一定是在改变了条件状态以后再给线程发信号。 pthread_cond_wait() 必须与pthread_mutex 配套使用。pthread_cond_wait() 函数一进入wait状态就会自动release mutex。当其他线程通过 pthread_cond_signal() 或pthread_cond_broadcast ，把该线程唤醒，使 pthread_cond_wait()通过（返回）时，该线程又自动获得该mutex 。

pthread_cond_signal

pthread_cond_signal函数的作用是发送一个信号给另外一个正在处于阻塞等待状态的线程,使其脱离阻塞状态,继续执行。如果没有线程处在阻塞等待状态,pthread_cond_signal也会成功返回。

mutex与condition

上面提到了mutex与condition，实际上mutex与condition都是posix标准的用于底层系统线程实现线程同步的工具。

mutex被称为互斥量锁，类似于Java的锁，即用来保证线程安全，一次只有一个线程能够获取到互斥量mutex，获取不到的线程则可能会阻塞。condition可以类比于java的Condition，被称为条件变量，用于将不满足条件的线程挂起在指定的条件变量上，而当条件满足的时候，再唤醒对应的线程让其执行。

Condition的操作本身不是线程安全的，没有锁的功能，只能让线程等待或者唤醒，因此mutex与Condition常常一起使用，这又可以类比Java中的Lock与Condition，或者synchronized与监视器对象。通常是线程获得mutex锁之后，判断如果线程不满足条件，则让线程在某个Condition上挂起并释放mutex锁，当另一个线程获取mutex锁并发现某个条件满足的时候，可以将调用Conditon的方法唤醒在指定Conditon上等待的线程并获取锁，然后被唤醒的线程由于条件满足以及获取了锁，则可以安全并且符合业务规则的执行下去。

mutex与condition的实现，实际他们内部都使用到了队列，可以类比Java中AQS的同步队列和条件队列。同样，在condition的条件队列中被唤醒的线程，将会被放入同步队列等待获取mutex锁，当获取到所之后，才会真正的返回，这同样类似于AQS的await和signal的实现逻辑。

可以看到，实际上JUC中的AQS框架的实现借鉴了底层系统的mutex和condition，如果我们理解了AQS的实现，那么理解mutex和condition的关系就很简单了。他们的区别就是AQS是采用Java语言实现的，而mutex和condition是系统工具，采用C++实现的。AQS中线程的阻塞park和唤醒unpark同样用到了mutex和condition的方法调用。

总结

LockSupport是JDK1.5时提供的用于实现单个线程等待、唤醒机制的阻塞工具，也是AQS框架的三大基石之一，另两个则是CAS操作、volatile关键字。通过CAS、LockSupport以及volatile，我们就可以使用Java语言实现锁的功能，也就是JUC中的AQS。

LockSupport和CAS方法则是调用了Unsafe类的JNI方法，最终Unsafe的方法由Hotspot实现，另外volatile关键字则是在编译的时候会加上特殊访问标记，JVM在执行字节码的时候，也会做出相应的处理。实际上Java中线程的各种阻塞、唤醒、同步、睡眠等底层机制都是JVM层面实现的，在JVM中通常会再深入调用一些POSIX的系统函数（比如mutex、Condition等工具和方法，这些都是操作系统提供的），最终会执行到操作系统级别，Java层面大多数都是提供了可调用的接口和一些简单的逻辑。

执行LockSupport.park方法不会释放此前获取到的synchronized锁或者lock锁，因为LockSupport的方法根本就与我们常说的“锁”无关，无论有没有锁，你都可以在任何地方调用LockSupport的方法阻塞线程，它只与单个线程关联，因此仅仅依靠LockSupport也不能实现“锁”的功能。

LockSupport的park和unpark方法在系统底层的实现都是依赖了mutex和Condition工具。

关键字。通过CAS、LockSupport以及volatile，我们就可以使用Java语言实现锁的功能，也就是JUC中的AQS。

LockSupport和CAS方法则是调用了Unsafe类的JNI方法，最终Unsafe的方法由Hotspot实现，另外volatile关键字则是在编译的时候会加上特殊访问标记，JVM在执行字节码的时候，也会做出相应的处理。实际上Java中线程的各种阻塞、唤醒、同步、睡眠等底层机制都是JVM层面实现的，在JVM中通常会再深入调用一些POSIX的系统函数（比如mutex、Condition等工具和方法，这些都是操作系统提供的），最终会执行到操作系统级别，Java层面大多数都是提供了可调用的接口和一些简单的逻辑。

执行LockSupport.park方法不会释放此前获取到的synchronized锁或者lock锁，因为LockSupport的方法根本就与我们常说的“锁”无关，无论有没有锁，你都可以在任何地方调用LockSupport的方法阻塞线程，它只与单个线程关联，因此仅仅依靠LockSupport也不能实现“锁”的功能。

LockSupport的park和unpark方法在系统底层的实现都是依赖了mutex和Condition工具。

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