필기 Java LockSupport 구현 방법-java지도 시간-php.cn

머리말

ReentrantLock의 내부 구현이나 기타 도구 등 JDK에서 제공하는 다양한 동시성 도구 중에서 자주 사용하는 도구가 있는데, 이 도구가 LockSupport입니다. LockSupport는 스레드 차단을 위한 가장 기본적인 기능을 제공하므로 스레드를 차단하거나 깨울 수 있으므로 동시 시나리오에서 자주 사용됩니다.

LockSupport 구현 원리

LockSupport 구현 원리를 이해하기 전에 먼저 사례를 통해 LockSupport의 기능을 이해해 보도록 하겠습니다!

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
  }
}

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위 코드의 출력은 다음과 같습니다.

park Before
the main threadrest for 5s
main thread unpark thread
park after

얼핏 보면 위의 LockSupport의 park 및 unpark 구현 기능과 wait 및 신호 구현 기능은 동일한 것처럼 보이지만 실제로는 다릅니다. 다음 코드를 살펴보겠습니다.

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
 
  }
}

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위 코드의 출력은 다음과 같습니다.

main thread unpark thread
park before
park

위 코드에서 메인 스레드가 먼저 unpark 작업을 수행한 다음 스레드가 park 작업을 수행하면 프로그램도 정상적으로 실행될 수 있습니다. 그러나 신호 호출이 대기 호출 이전에 발생하면 프로그램은 실행되지 않습니다. 예를 들어 다음 코드는

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();
  }
}

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위 코드의 출력은 다음과 같습니다.

신호 보내기
메인 스레드 잠금 해제가 완료되었습니다.

위 코드에서 "완료 대기 중"은 출력되지 않습니다. 이는 신호 함수가 대기 전에 호출되기 때문입니다. 신호 함수는 그 전에 실행된 대기 함수에만 영향을 미치고 대기에는 영향을 미치지 않습니다. 그 뒤에 호출되는 함수는 영향을 미칩니다.

그렇다면 이 효과의 원인은 무엇일까요?

실제로 JVM은 LockSupport를 구현할 때 각 스레드에 대해 카운터 변수 _counter를 유지합니다. 이 변수는 "라이센스 수"를 나타냅니다. 동시에 라이센스가 있는 경우에만 실행할 수 있습니다. 최대 라이센스 수는 1개만 가능합니다. 파크를 한 번 호출하면 라이센스 수가 하나씩 감소됩니다. unpark가 한 번 호출되면 카운터가 1씩 증가하지만 카운터 값은 1을 초과할 수 없습니다.

스레드가 park를 호출하면 라이센스를 기다려야 합니다. 라이센스를 얻은 후에만 스레드를 계속 실행할 수 있습니다. 또는 park 전에 라이센스를 얻은 경우에는 차단할 필요가 없으며 직접 실행될 수 있습니다. 실행.

직접 LockSupport 구현

구현 원칙

이전 기사에서 주요 내부 구현은 라이센스를 통해 구현됩니다.

각 스레드가 얻을 수 있는 라이센스 최대 수 1입니다.
unpark 메소드가 호출되면 스레드는 라이센스를 얻을 수 있습니다. 라이센스 수의 상한은 1입니다. 이미 라이센스가 있는 경우 라이센스를 누적할 수 없습니다.
park 메서드를 호출할 때 park 메서드를 호출하는 스레드에 라이선스가 없으면 다른 스레드가 unpark 메서드를 호출하고 스레드에 라이선스를 발급할 때까지 스레드를 일시 중단해야 스레드를 계속 구현할 수 있습니다. . 그러나 스레드에 이미 라이센스가 있는 경우 스레드는 차단되지 않고 직접 실행할 수 있습니다.

LockSupport 프로토콜 규정을 직접 구현

Parker의 자체 구현에서는 라이센스 수가 0보다 크거나 같을 때 스레드에 대한 라이센스 수를 기록하는 카운터를 각 스레드에 제공할 수도 있습니다. , 스레드가 실행될 수 있습니다. 그렇지 않으면 스레드가 차단되어야 합니다. 프로토콜의 특정 규칙은 다음과 같습니다:

초기 스레드에 대한 라이센스 수는 0입니다.
park를 호출할 때 카운터 값이 1이고 카운터 값이 0이 되면 스레드는 계속 실행될 수 있습니다.
park를 호출할 때 카운터 값이 0이면 스레드는 계속 실행할 수 없으며 스레드는 일시 중단되어야 하며 카운터 값은 -1로 설정됩니다.
unpark를 호출할 때 unpark된 스레드의 카운터 값이 0이면 카운터 값을 1로 변경해야 합니다.
unpark를 호출할 때 unpark된 스레드의 카운터 값이 1이면 카운터의 최대값이 1이므로 카운터 값을 변경할 필요가 없습니다.
unpark를 호출할 때 카운터 값이 -1이면 스레드가 일시 중지되었음을 의미하므로 스레드를 깨우고 카운터 값을 0으로 설정해야 합니다.

Tools

스레드 차단 및 깨우기가 포함되므로 재진입 잠금 ReentrantLock 및 조건 변수 Condition을 사용할 수 있으므로 이 두 도구의 사용에 익숙해야 합니다.

ReentrantLock은 주로 잠금 및 잠금 해제에 사용되며 중요한 영역을 보호하는 데 사용됩니다.

Condition.awat 메소드는 스레드를 차단하는 데 사용됩니다.

Condition.signal 메소드는 스레드를 깨우는 데 사용됩니다.

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

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构造函数主要对变量进行赋值：

public Parker() {
  lock = new ReentrantLock();
  permits = new HashMap<>();
  conditions = new HashMap<>();
}

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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();
  }
}

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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();
  }
}

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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();
    }
  }
}

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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");
  }
}

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JVM实现的park方法，如果没有许可证也是会将线程挂起的：

필기 Java LockSupport 구현 방법