深入理解Lock Support

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2024年03月11日 16:49 · 阅读数 6

第1章：引言

大家好，我是小黑，今天咱们要聊聊Lock Support。Lock Support是Java并发编程的一块基石，它提供了一种非常底层的线程阻塞和唤醒机制，是许多高级同步工具的基础。

为什么要关注Lock Support？线程是并发执行的基本单元。咱们经常会遇到需要控制线程执行顺序的情况，比如防止资源冲突、确保数据一致性。这时候，就需要一些同步机制来拯救局面。Lock Support提供了一种灵活的线程阻塞和唤醒方式，不同于传统的synchronized和ReentrantLock，它更加轻量，更容易融入各种并发场景。

第2章：Lock Support简介

Lock Support，听起来是不是有点像是某个高大上的技术？其实它就是Java.util.concurrent包里的一个工具类。这个类里最重要的就是两个方法：park() 和 unpark()。这两个小伙伴，一个负责让线程停下来，另一个负责让线程继续跑。听起来很简单对吧？但它们可是大有来头。

在Java里，锁和同步是常见的话题。传统的同步工具像synchronized和ReentrantLock都是阻塞式的，意味着当一个线程获取不到锁时，就会进入阻塞状态，等待唤醒。这种方式虽然简单，但有时候效率不高，尤其是在高并发场景下。这时，Lock Support就闪亮登场了。

举个例子，假设小黑现在正在写一个并发程序，需要控制线程A和线程B的执行顺序。小黑可以用Lock Support轻松实现：

public class LockSupportExample {
    public static void main(String[] args) {
        final Thread threadA = new Thread(() -> {
            System.out.println("线程A等待信号");
            LockSupport.park();  // 线程A停下来等待
            System.out.println("线程A收到信号");
        });

        final Thread threadB = new Thread(() -> {
            System.out.println("线程B发送信号");
            LockSupport.unpark(threadA);  // 唤醒线程A
        });

        threadA.start();
        threadB.start();
    }
}

这段代码中，线程A会在调用park()时停下来，直到线程B调用unpark(threadA)，线程A才会继续执行。这就是Lock Support的魅力所在，简单而强大。

第3章：基本概念和原理

Lock Support的核心就是两个方法：park() 和 unpark()。park() 用来阻塞当前线程，unpark(Thread thread) 则用来唤醒指定的线程。这听起来很像操作系统中的挂起和继续执行的概念，但Lock Support比这更灵活。

park() 并不是传统意义上的锁。它不会去竞争什么资源，只是纯粹地阻塞线程。而且，它还有一个非常酷的特性——不易产生死锁。因为park() 在等待过程中，如果接收到了unpark()的信号，它会立刻返回，这就避免了像synchronized 那样容易陷入死锁的问题。

再来看看unpark()。这个方法的作用是取消对指定线程的阻塞。有趣的是，unpark() 可以在park() 之前调用。这就意味着，如果线程A已经提前被unpark()了，那么当它后续执行park()时，它会感知到这个信号，并且不会真的进入阻塞状态。

import java.util.concurrent.locks.LockSupport;

public class ProducerConsumerExample {
    private static Thread consumerThread;
    private static Thread producerThread;

    public static void main(String[] args) {
        Object data = null;  // 用于存储生产的数据

        consumerThread = new Thread(() -> {
            System.out.println("消费者等待数据...");
            LockSupport.park();  // 消费者线程等待
            System.out.println("消费者收到数据: " + data);
        });

        producerThread = new Thread(() -> {
            data = produceData();  // 生产数据
            System.out.println("生产者生产了数据: " + data);
            LockSupport.unpark(consumerThread);  // 唤醒消费者线程
        });

        consumerThread.start();
        producerThread.start();
    }

    private static Object produceData() {
        // 模拟数据生产过程
        return "Java数据";
    }
}

在这段代码里，消费者线程首先启动并调用park()，等待数据。生产者线程生产数据后，调用unpark(consumerThread)来唤醒消费者线程。注意这里的park() 和 unpark() 是如何配合的，它们之间没有明显的锁竞争，却能有效地协调线程间的活动。

Lock Support的工作原理相当于是给线程发放“许可证”。当调用park()时，如果已经有许可证了，它会立刻消费这个许可证并返回；如果没有许可证，线程就会阻塞。当调用unpark()时，就是在给线程发放一个许可证。但有趣的是，这个许可证是不可累积的，无论调用多少次unpark()，每个线程最多只能持有一个许可证。

这种机制的好处是显而易见的。它比起传统的锁操作，更加轻量，更少的锁竞争，也就意味着更高的效率和更低的死锁风险。而且，Lock Support的设计也非常巧妙，它允许unpark()在park()之前调用，这给很多并发控制场景提供了更多的灵活性。

使用Lock Support也需要注意一些问题。比如，线程在调用park()后，可能因为中断而返回，但这并不会抛出InterruptedException异常。这就意味着，当线程在等待时被中断，它可能会在没有接收到期望的信号的情况下继续执行。因此，编写依赖于Lock Support的代码时，需要特别留意线程的中断状态。

第4章：Lock Support与线程状态的交互

Lock Support与线程状态

当线程调用LockSupport.park()时，它会进入WAITING状态。在这种状态下，线程是被动的，不会占用任何CPU资源，就好像是在说：“我没事干了，别管我，直到有人叫醒我。” 这种机制对于实现一些等待/通知的并发模式特别有用，因为它减少了资源的消耗。

而当另一个线程调用LockSupport.unpark(目标线程)时，原本在等待的线程会返回到RUNNABLE状态，准备继续执行。这就好比是有人拍拍它说：“嘿，起床时间到了，该干活了。”

代码示例：线程状态变化

让我们通过一个例子来具体看看这是怎么回事。假设小黑想监控一个线程的状态变化。

public class ThreadStateExample {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread monitorThread = new Thread(() -> {
            System.out.println("监控线程运行中...");
            LockSupport.park();  // 让监控线程进入WAITING状态
            System.out.println("监控线程被唤醒，继续运行");
        });

        monitorThread.start();
        Thread.sleep(1000);  // 稍微等一会儿
        System.out.println("监控线程的状态: " + monitorThread.getState()); // 打印监控线程的状态

        LockSupport.unpark(monitorThread);  // 唤醒监控线程
        Thread.sleep(100);  // 再等一小会儿
        System.out.println("监控线程的状态: " + monitorThread.getState()); // 再次打印监控线程的状态
    }
}

在这个例子中，监控线程开始时处于RUNNABLE状态。当它调用LockSupport.park()后，它就进入了WAITING状态。这时，如果我们打印这个线程的状态，就会看到它是WAITING。然后，当主线程调用LockSupport.unpark(monitorThread)后，监控线程被唤醒，回到了RUNNABLE状态。

这个例子展示了线程如何在不同状态之间转换，尤其是WAITING和RUNNABLE之间的转换。这种转换是非常重要的，因为它让我们可以有效地管理线程，使其在需要的时候等待，不需要的时候又能迅速恢复运行。

第5章：Lock Support在实际应用中的案例分析

案例1：自定义的阻塞队列

首个案例是自定义一个阻塞队列。在并发编程中，阻塞队列是一个常见的数据结构，用于在生产者和消费者之间传递数据。让我们看看如何使用Lock Support来实现一个简单的阻塞队列。

import java.util.concurrent.locks.LockSupport;

public class CustomBlockingQueue<T> {
    private Node<T> head, tail;
    private int size = 0;
    private final int capacity;
    private Thread enqThread, deqThread;

    public CustomBlockingQueue(int capacity) {
        this.capacity = capacity;
        head = tail = new Node<>(null);
    }

    public void enqueue(T item) {
        if (size >= capacity) {
            enqThread = Thread.currentThread();
            LockSupport.park(); // 队列满时，阻塞生产者线程
        }
        tail = tail.next = new Node<>(item);
        size++;
        if (deqThread != null) {
            LockSupport.unpark(deqThread); // 唤醒消费者线程
            deqThread = null;
        }
    }

    public T dequeue() {
        if (size == 0) {
            deqThread = Thread.currentThread();
            LockSupport.park(); // 队列空时，阻塞消费者线程
        }
        T item = head.next.item;
        head = head.next;
        size--;
        if (enqThread != null) {
            LockSupport.unpark(enqThread); // 唤醒生产者线程
            enqThread = null;
        }
        return item;
    }

    static class Node<T> {
        T item;
        Node<T> next;

        Node(T item) {
            this.item = item;
        }
    }
}

这个阻塞队列中，当生产者发现队列已满时，会调用LockSupport.park()来阻塞自己，直到有空间可用。同理，消费者在队列为空时会被阻塞。这是Lock Support在控制线程状态上的一个典型应用。

案例2：简单的同步锁

下面是一个使用Lock Support实现的简单同步锁。这个锁在设计时考虑到了公平性，即按照线程请求锁的顺序来分配锁。

import java.util.Queue;
import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicBoolean;
import java.util.concurrent.locks.LockSupport;

public class FairLock {
    private final Queue<Thread> waiters = new ConcurrentLinkedQueue<>();
    private final AtomicBoolean locked = new AtomicBoolean(false);

    public void lock() {
        Thread current = Thread.currentThread();
        waiters.add(current);

        // 只有队列首个元素能获取锁
        while (waiters.peek() != current || !locked.compareAndSet(false, true)) {
            LockSupport.park();
        }
        waiters.remove();
    }

    public void unlock() {
        locked.set(false);
        LockSupport.unpark(waiters.peek()); // 唤醒下一个等待线程
    }
}

在这个锁的实现中，如果当前线程不是队列中的第一个，或者锁已被其他线程占用，它就会调用LockSupport.park()来阻塞自己。当锁被释放时，会唤醒队列中的下一个线程。

第6章：Lock Support与Java并发工具的集成

结合ReentrantLock和Lock Support

让我们先来看一个结合ReentrantLock和Lock Support的例子。假设小黑要实现一个同步机制，在这个机制中，我们想让线程在等待ReentrantLock的锁释放时，能够做一些额外的工作。

import java.util.concurrent.locks.LockSupport;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class EnhancedReentrantLock extends ReentrantLock {
    private Thread leader = null;

    @Override
    public void lock() {
        boolean wasInterrupted = false;
        while (true) {
            if (tryAcquire(1)) {
                if (wasInterrupted) {
                    // 如果之前被中断过，恢复中断状态
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
                return;
            }

            // 如果已有线程在排队，则阻塞当前线程
            if (hasQueuedPredecessors() && leader == null) {
                leader = Thread.currentThread();
                LockSupport.park(this);
                leader = null;
                if (Thread.interrupted()) { // 如果park返回是因为中断
                    wasInterrupted = true;
                }
            }
        }
    }
}

在这个例子中，小黑扩展了ReentrantLock，添加了一些Lock Support的功能。当有线程在等待锁时，它会通过Lock Support被阻塞。这样做的好处是，可以更灵活地控制线程的等待状态，比如在等待过程中做一些额外的检查或者处理。

结合Semaphore和Lock Support

现在，让我们看一个结合Semaphore（信号量）和Lock Support的例子。信号量是另一种常见的并发控制工具，用于限制对资源的访问。

import java.util.concurrent.locks.LockSupport;
import java.util.concurrent.Semaphore;

public class CustomSemaphore {
    private final Semaphore semaphore;
    private volatile Thread blocker = null;

    public CustomSemaphore(int permits) {
        this.semaphore = new Semaphore(permits);
    }

    public void acquire() throws InterruptedException {
        blocker = Thread.currentThread();
        semaphore.acquire();
        blocker = null;
    }

    public void release() {
        semaphore.release();
        LockSupport.unpark(blocker); // 唤醒阻塞的线程
    }
}

在这个例子中，小黑创建了一个自定义的信号量，它在内部使用了Semaphore，但是在获取和释放许可的同时，还运用了Lock Support来控制线程的阻塞和唤醒。这样的组合增加了控制的灵活性，可以在更复杂的场景下使用。

第7章：性能考量和最佳实践

Lock Support的性能特性

Lock Support的性能主要体现在它提供的park()和unpark()操作上。这两个操作相比于Object.wait()和notify()来说，更加轻量级，因为它们不需要进入同步区。这就意味着，Lock Support在高并发环境下，能更好地减少线程的上下文切换，提高系统的整体性能。

但是，这并不意味着Lock Support总是性能最优的选择。例如，在一些特定场景下，使用重量级锁（如ReentrantLock）可能会更有效，尤其是当锁竞争不是非常激烈，或者需要更复杂的锁功能时。

Lock Support的最佳实践

现在，让我们来看几个关于使用Lock Support的最佳实践：

正确处理中断：当线程在park()时被中断，它会返回，但不会抛出InterruptedException。因此，我们需要检查线程的中断状态，并相应地处理它。

public void parkAndCheckInterrupt() {
    LockSupport.park();
    if (Thread.interrupted()) {
        // 处理中断逻辑
        System.out.println("线程被中断了");
    }
}

避免虚假唤醒：因为park()可能会无故返回（虚假唤醒），最好在一个循环中调用它，检查某个条件是否满足。
```
while (!conditionMet()) {
    LockSupport.park();
}
```

合理使用unpark()：由于unpark()可以在park()之前调用，因此我们可以利用这一点来避免不必要的阻塞。

public void sendData(Object data) {
    // 先设置数据
    this.data = data;
    // 然后唤醒消费者线程
    LockSupport.unpark(consumerThread);
}

不要过度依赖Lock Support：虽然Lock Support是一个强大的工具，但并不意味着它总是最佳的解决方案。在选择使用Lock Support之前，应该考虑问题的具体情况，评估是否有更适合的工具或方法。

第8章：总结

基本概念：Lock Support是一个提供线程阻塞和唤醒功能的工具类，核心方法是park()和unpark()。这两个方法提供了一种比传统synchronized和ReentrantLock更轻量级的线程同步方式。
与线程状态的交互：park()会使线程进入等待状态，而unpark()则被用来唤醒线程。这种机制使得线程的管理更加灵活，有助于提高并发程序的性能。
在实际应用中的案例：我们看到了Lock Support在自定义阻塞队列、同步锁等场景的应用，展示了其在复杂并发控制中的实用性。
与其他并发工具的结合：Lock Support可以与Java中的其他并发工具（如ReentrantLock, Semaphore等）结合使用，为解决复杂的并发问题提供更多可能性。
性能考量和最佳实践：虽然Lock Support是轻量级的，但在使用时仍需注意其特性，比如正确处理中断、避免虚假唤醒等，以确保并发程序的稳定性和效率。