LockSupport和AQS

zhenliang_Horn
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一.LockSupport

1.什么是LockSupport?

  1. 通过park()和unpark(thread)方法来实现阻塞和唤醒线程的操作

  2. LockSupport是一个线程阻塞工具类，所有的方法都是静态方法，可以让线程在任意位置阻塞，阻塞之后也有对应的唤醒方法。归根结底，LockSupport调用的Unsafe中的native代码。

官网解释：

  1. LockSupport是用来创建锁和其他同步类的基本线程阻塞原语
  2. LockSupport类使用了一种名为Permit(许可）的概念来做到阻塞和唤醒线程的功能，每个线程都有一个许可(permit),permit只有两个值1和零，默认是零
  3. 可以把许可看成是一种(0,1)信号量(Semaphore），但与Semaphore不同的是，许可的累加上限是1

2.阻塞方法

  1. permit默认是0，所以一开始调用park()方法，当前线程就会阻塞，直到别的线程将当前线程的permit设置为1时, park方法会被唤醒，然后会将permit再次设置为0并返回。
  2. static void park( )：底层是unsafe类native方法
  3. static void park(Object blocker)

3.唤醒方法(注意这个permit最多只能为1)

  1. 调用unpark(thread)方法后，就会将thread线程的许可permit设置成1(注意多次调用unpark方法，不会累加，permit值还是1)会自动唤醒thread线程，即之前阻塞中的LockSupport.park()方法会立即返回
  2. static void unpark( )

4.LockSupport它的解决的痛点

  1. LockSupport不用持有锁块，不用加锁，程序性能好
  2. 先后顺序，不容易导致卡死(因为unpark获得了一个凭证，之后再调用park方法，就可以名正言顺的凭证消费，故不会阻塞)
/*
(1).阻塞
 (permit默认是O，所以一开始调用park()方法，当前线程就会阻塞，直到别的线程将当前线程的permit设置为1时,
 park方法会被唤醒，然后会将permit再次设置为O并返回)
 static void park()
 static void park(Object blocker)
(2).唤醒
static void unpark(Thread thread)
 (调用unpark(thread)方法后，就会将thread线程的许可permit设置成1(注意多次调用unpark方法，不会累加，
 permit值还是1)会自动唤醒thread线程，即之前阻塞中的LockSupport.park()方法会立即返回)
 static void unpark(Thread thread)
* */
public class LockSupportDemo {
    public static void main(String[] args) {

        Thread t1=new Thread(()->{
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"coming....");
            LockSupport.park();
            /*
            如果这里有两个LockSupport.park(),因为permit的值为1,上一行已经使用了permit
            所以下一行被注释的打开会导致程序处于一直等待的状态
            * */
            //LockSupport.park();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"被B唤醒了");
            },"A");
        t1.start();

        //下面代码注释是为了A线程先执行
        //try { TimeUnit.SECONDS.sleep(3);  } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}

        Thread t2=new Thread(()->{
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"唤醒A线程");
            //有两个LockSupport.unpark(t1),由于permit的值最大为1,所以只能给park一个通行证
            LockSupport.unpark(t1);
            //LockSupport.unpark(t1);
        },"B");
        t2.start();
    }
}

面试题目：

①. 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，之后再调用park方法，就可以名正言顺的凭证消费，故不会阻塞)

②. 为什么唤醒两次后阻塞两次，但最终结果还会阻塞线程?(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，证不够，不能放行)

5.等待唤醒机制

  1. 使用Object中的wait()方法让线程等待,使用Object中的notify方法唤醒线程
  2. 使用JUC包中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

Object类中wait( )和notify( )实现线程的等待唤醒

  1. wait和notify方法必须要在同步块或同步方法里且成对出现使用。 wait和notify方法两个都去掉同步代码块后看运行效果出现异常情况:

Exception in thread “A” Exception in thread “B” java.lang.IllegalMonitorStateException

  1. 先wait后notify才可以(如果先notify后wait会出现另一个线程一直处于等待状态)
  2. synchronized是关键字属于JVM层面。monitorenter(底层是通过monitor对象来完成,其实wait/notify等方法也依赖monitor对象只能在同步块或方法中才能调用wait/notify等方法)
public class SynchronizedDemo {
    //等待线程
    public void waitThread(){
//      1.如果将synchronized (this){}注释,会抛出异常,因为wait和notify一定要在同步块或同步方法中
        synchronized (this){
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"coming....");
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"end....");
        }
    }
    //唤醒线程
    public void notifyThread(){
        synchronized (this){
            System.out.println("唤醒A线程....");
            notify();
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        SynchronizedDemo synchronizedDemo = new SynchronizedDemo();
        new Thread(()->{

//            2.如果把下行这句代码打开,先notify后wait,会出现A线程一直处于等待状态
//            try { TimeUnit.SECONDS.sleep(3);  } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}
            synchronizedDemo.waitThread();
        },"A").start();
        new Thread(()->{
            synchronizedDemo.notifyThread();
        },"B").start();
    }
}
  1. Condition接口中的await和signal方法实现线程等待和唤醒(出现的问题和object中wait和notify一样)
public class LockDemo {
    static Object object=new Object();
    public static void main(String[] args) {
        Lock lock=new ReentrantLock();
        Condition condition = lock.newCondition();

        new Thread(()->{
            //如果把下行这句代码打开,先signal后await,会出现A线程一直处于等待状态
            //try { TimeUnit.SECONDS.sleep(3);  } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}
            lock.lock();
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"coming....");
                condition.await();
            }catch (Exception e){
                e.printStackTrace();
            }finally {
                lock.unlock();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"END....");
        },"A").start();

        new Thread(()->{
            lock.lock();
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"唤醒A线程****");
                condition.signal();
            }catch (Exception e){
                e.printStackTrace();
            }finally {
                lock.unlock();
            }
        },"B").start();
    }
}

二.AQS

1.什么是AQS

是用来构建锁或者其它同步器组件的重量级基础框架及整个JUC体系的基石，通过内置的CLH(FIFO先进先出)队列的变种来完成资源获取线程的排队工作,将每条将要去抢占资源的线程封装成一个Node节点来实现锁的分配，有一个int类变量表示持有锁的状态,通过CAS完成对status值的修改(0表示没有,1表示阻塞)

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2.AQS为什么是JUC内容中最重要的基石

(ReentrantLock | CountDownLatch | ReentrantReadWriteLock | Semaphore )

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如果共享资源被占用，就需要一定的阻塞等待唤醒机制来保证锁分配。这个机制主要用的是CLH队列的变体实现的，将暂时获取不到锁的线程加入到队列中，这个队列就是AQS的抽象表现。它将请求共享资源的线程封装成队列的结点(Node) ，通过CAS、自旋以及LockSuport.park()的方式，维护state变量的状态，使并发达到同步的效果。

3.AQS内部体系架构

image.png

image.png

4.详解AQS内部代码有什么？

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5.AQS同步队列的基本结构

image.png

三.ReentrantLock开始解读AQS

写在最前面：

(1). 本次讲解我们走最常用的，lock/unlock作为案例突破口

(2). AQS里面有个变量叫State，它的值有3个状态：没占用是0，占用了是1，大于1是可重入锁

(3). 如果AB两个线程进来了以后，请问这个总共有多少个Node节点？答案是3个,其中队列的第一个是傀儡节点(哨兵节点)

image.png

1.从最简单的lock方法开始看看公平和非公平

public class AQSDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        //带入一个银行办理业务的案例来模拟我们的AQS如何进行线程的管理和通知唤醒机制
        //3个线程模拟3个来银行网点，受理窗口办理业务的顾客
        //A顾客就是第一个顾客，此时受理窗口没有任何人，A可以直接去办理
        new Thread(() -> {
                lock.lock();
                try{
                    System.out.println("-----A thread come in");

                    try { TimeUnit.MINUTES.sleep(20); }catch (Exception e) {e.printStackTrace();}
                }finally {
                    lock.unlock();
                }
        },"A").start();

        //第二个顾客，第二个线程---》由于受理业务的窗口只有一个(只能一个线程持有锁)，此时B只能等待，
        //进入候客区
        new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try{
                System.out.println("-----B thread come in");
            }finally {
                lock.unlock();
            }
        },"B").start();

        //第三个顾客，第三个线程---》由于受理业务的窗口只有一个(只能一个线程持有锁)，此时C只能等待，
        //进入候客区
        new Thread(() -> {
            lock.lock();
            try{
                System.out.println("-----C thread come in");
            }finally {
                lock.unlock();
            }
        },"C").start();
    }
}

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可以明显看出公平锁与非公平锁的lock()方法唯一的区别就在于公平锁在获取同步状态时多了一个限制条件:hasQueuedPredecessors() hasQueuedPredecessors是公平锁加锁时判断等待队列中是否存在有效节点的方法

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lock()源码

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acquire( )：源码和3大流程走向

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- 首先看第一个tryAcquire

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调用nonfairTryAcquire(acquires)，如下图，获得state（1），然后else里面判断current线程是否是正在办理业务的线程，不是的话两个都不进去 返回false

return false(继续推进条件，走下一步方法addWaiter)

return true(结束)

image.png

- 然后是第二个addWaiter(Node.EXCLUSIVE)

addWaiter(Node mode ) 双向链表中，第一个节点为虚节点(也叫哨兵节点)，其实并不存储任何信息，只是占位。 真正的第一个有数据的节点，是从第二个节点开始的

image.png 进入到enq

image.png image.png

B、C线程都排好队了效果图如下：

image.png

- 最后是第三个acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)

acquireQueued (会调用如下方法：shouldParkAterFailedAcquire和parkAndCheckInterrupt | setHead(node) ) shouldParkAfterFailedAcquire

image.png

parkAndCheckInterrupt

image.png

当我们执行下图中的③表示线程B或者C已经获取了permit了

image.png

setHead( )方法 image.png

- unlock()获取permit

release | tryRelease | unparkSuccessor(h);

image.png

tryRelease() image.png

unparkSuccessor( )

image.png

转载自：blog.csdn.net/TZ845195485…

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