LockSupport：线程阻塞与唤醒的精妙控制
大家好！今天我们来深入探讨Java并发编程中的一个强大工具：LockSupport。它提供了一种比传统的wait/notify机制更灵活、更底层的线程阻塞和唤醒机制。我们将从LockSupport的基本概念、原理、使用方法，以及与wait/notify的比较等方面进行详细讲解，并通过具体的代码示例来展示其强大的功能。
1. LockSupport概述
LockSupport是Java并发包java.util.concurrent中的一个工具类，它提供了一组静态方法，用于阻塞和唤醒线程。它的核心功能是park和unpark。
-
park()方法： 阻塞当前线程，除非获得许可证（permit）。如果调用park()时，线程已经持有许可证，则park()立即返回，并清除许可证。否则，线程将被阻塞，直到以下情况发生：- 其他线程调用
unpark(Thread)方法，将当前线程作为参数，并给予其许可证。 - 当前线程被中断。
- 发生“虚假唤醒”（spurious wakeup）。
- 其他线程调用
unpark(Thread)方法： 给予指定线程一个许可证。如果指定线程之前因为调用park()方法而被阻塞，那么它会被唤醒，并获得许可证，park()方法返回。如果指定线程尚未调用park()方法，那么许可证会被记录下来，当下一次该线程调用park()方法时，它会立即返回，而不会被阻塞。
LockSupport的关键特性在于它允许在park()之前调用unpark(Thread)，这与wait/notify机制有很大的不同。wait/notify必须在synchronized块中使用，而且必须先调用wait()，才能调用notify()或notifyAll()。
2. LockSupport的原理
LockSupport的底层实现依赖于操作系统的线程阻塞和唤醒机制。在Linux系统中，它通常使用pthread_cond_wait和pthread_cond_signal等函数。
LockSupport内部维护了一个与每个线程关联的许可证（permit）。许可证可以看作是一个计数器，最多只能是1。
park()操作： 如果许可证可用（值为1），则将其设置为0，并立即返回。如果许可证不可用（值为0），则线程进入阻塞状态，等待其他线程调用unpark(Thread)方法来给予其许可证。unpark(Thread)操作： 如果指定线程的许可证当前不可用（值为0），则将其设置为1，并唤醒该线程。如果指定线程的许可证已经可用（值为1），则不做任何操作。
LockSupport并不强制要求在park()和unpark(Thread)之间建立任何形式的同步关系，这使得它比wait/notify更加灵活。
3. LockSupport的使用方法
LockSupport提供了一系列静态方法，最常用的包括：
LockSupport.park()：阻塞当前线程。LockSupport.park(Object blocker)：阻塞当前线程，并记录阻塞对象（blocker）。这个blocker可以用来诊断死锁问题，在线程dump中可以看到。LockSupport.parkNanos(long nanos)：阻塞当前线程指定的时间（纳秒）。LockSupport.parkNanos(Object blocker, long nanos)：阻塞当前线程指定的时间（纳秒），并记录阻塞对象。LockSupport.parkUntil(long deadline)：阻塞当前线程直到指定的截止时间（毫秒）。LockSupport.parkUntil(Object blocker, long deadline)：阻塞当前线程直到指定的截止时间（毫秒），并记录阻塞对象。LockSupport.unpark(Thread thread)：唤醒指定的线程。
下面是一些简单的示例：
示例1：基本的阻塞和唤醒
import java.util.concurrent.locks.LockSupport;
public class LockSupportExample {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t = new Thread(() -> {
System.out.println("Thread is starting to park...");
LockSupport.park(); // 阻塞当前线程
System.out.println("Thread is unparked!");
});
t.start();
Thread.sleep(2000); // 等待线程启动
System.out.println("Main thread is unparking the thread...");
LockSupport.unpark(t); // 唤醒线程
}
}在这个例子中，线程t首先打印一条消息，然后调用LockSupport.park()方法进入阻塞状态。主线程等待2秒后，调用LockSupport.unpark(t)方法唤醒线程t。线程t被唤醒后，打印另一条消息并结束。
示例2：先unpark后park
import java.util.concurrent.locks.LockSupport;
public class LockSupportExample2 {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t = new Thread(() -> {
System.out.println("Thread is starting...");
LockSupport.park(); // 阻塞当前线程，但由于之前已经unpark，所以立即返回
System.out.println("Thread is running after park.");
});
System.out.println("Main thread is unparking the thread before it starts...");
LockSupport.unpark(t); // 唤醒线程，但线程尚未park
t.start();
t.join(); //等待线程执行完成
}
}在这个例子中，主线程在线程t启动之前就调用了LockSupport.unpark(t)方法。当线程t启动后，调用LockSupport.park()方法时，由于它已经持有一个许可证，所以park()方法立即返回，线程不会被阻塞。
示例3：使用blocker诊断死锁
import java.util.concurrent.locks.LockSupport;
public class LockSupportExample3 {
private static final Object LOCK = new Object();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t = new Thread(() -> {
synchronized (LOCK) {
System.out.println("Thread is starting to park...");
LockSupport.park(LOCK); // 阻塞当前线程，并记录阻塞对象LOCK
System.out.println("Thread is unparked!");
}
});
t.start();
Thread.sleep(2000);
System.out.println("Main thread is unparking the thread...");
LockSupport.unpark(t);
}
}在这个例子中，线程t在synchronized块中调用LockSupport.park(LOCK)方法。如果线程t因为某种原因无法被唤醒（例如，死锁），那么在线程dump中可以看到线程t被阻塞在LockSupport.park(LOCK)方法上，并且阻塞对象是LOCK。这有助于诊断死锁问题。
4. LockSupport与wait/notify的比较
LockSupport和wait/notify都可以用于线程的阻塞和唤醒，但它们之间存在一些关键的区别：
| 特性 | wait/notify |
LockSupport |
|---|---|---|
| 同步要求 | 必须在synchronized块中使用。 |
不需要显式的同步。 |
| 许可证 | 没有许可证的概念。 | 每个线程关联一个许可证。 |
| 调用顺序 | 必须先调用wait()，才能调用notify()/notifyAll()。 |
可以先调用unpark(Thread)，后调用park()。 |
| 灵活性 | 较低，依赖于synchronized的锁机制。 |
较高，可以更灵活地控制线程的阻塞和唤醒。 |
| 错误使用风险 | 容易出现notify()/notifyAll()丢失信号的问题。 |
相对较低，因为unpark(Thread)可以先于park()调用。 |
| 虚假唤醒 | 需要处理虚假唤醒。 | 也会发生虚假唤醒，需要处理。 |
LockSupport的优点：
- 更灵活：
LockSupport不需要显式的同步，并且允许在park()之前调用unpark(Thread)，这使得它可以更灵活地控制线程的阻塞和唤醒。 - 更安全：
LockSupport不容易出现notify()/notifyAll()丢失信号的问题，因为unpark(Thread)可以先于park()调用。 - 更底层：
LockSupport提供了一种更底层的线程阻塞和唤醒机制，可以用于构建更高级的并发工具。
LockSupport的缺点：
- 需要手动管理线程：
LockSupport需要手动管理线程，例如，需要显式地调用unpark(Thread)方法来唤醒线程。 - 可能出现虚假唤醒：
LockSupport也会发生虚假唤醒，因此在使用时需要注意处理。
5. LockSupport的应用场景
LockSupport广泛应用于Java并发包中的各种并发工具，例如：
ReentrantLock：ReentrantLock的实现依赖于LockSupport来阻塞和唤醒线程。Condition：Condition的实现也依赖于LockSupport来阻塞和唤醒线程。ForkJoinPool：ForkJoinPool的实现使用LockSupport来管理工作线程的阻塞和唤醒。CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore： 这些并发工具的底层实现也可能使用LockSupport。
除了Java并发包中的并发工具之外，LockSupport还可以用于构建自定义的并发工具，例如：
- 自定义的阻塞队列： 可以使用
LockSupport来实现一个自定义的阻塞队列，该队列可以在队列为空时阻塞消费者线程，并在队列有数据时唤醒消费者线程。 - 自定义的锁： 可以使用
LockSupport来实现一个自定义的锁，该锁可以提供比ReentrantLock更灵活的锁定和解锁机制。
总而言之，LockSupport是一个非常强大的工具，可以用于解决各种并发编程问题。
6. 注意事项和最佳实践
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处理虚假唤醒： 尽管
LockSupport不像wait/notify那么容易出现信号丢失问题，但仍然可能发生虚假唤醒。因此，在使用LockSupport时，应该在一个循环中调用park()方法，并在循环中检查唤醒条件是否满足。while (!condition) { LockSupport.park(); } -
避免死锁： 在使用
LockSupport时，需要注意避免死锁。可以使用LockSupport.park(Object blocker)方法来记录阻塞对象，以便在线程dump中诊断死锁问题。 -
选择合适的阻塞方式：
LockSupport提供了多种阻塞方式，例如park()、parkNanos()、parkUntil()。应该根据实际需求选择合适的阻塞方式。 -
避免过度使用： 虽然
LockSupport非常灵活，但也不应该过度使用。在可以使用更高级的并发工具（例如ReentrantLock、Condition、Semaphore）的情况下，应该优先使用这些工具。
7. 案例分析：使用LockSupport实现简单的阻塞队列
下面我们通过一个具体的例子来展示如何使用LockSupport实现一个简单的阻塞队列。
import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;
import java.util.concurrent.locks.LockSupport;
public class BlockingQueue<T> {
private Queue<T> queue = new LinkedList<>();
private int capacity;
private Thread consumerWaiter;
private Thread producerWaiter;
public BlockingQueue(int capacity) {
this.capacity = capacity;
}
public synchronized void put(T element) throws InterruptedException {
while (queue.size() == capacity) {
producerWaiter = Thread.currentThread();
LockSupport.park(this); // 队列已满，阻塞生产者线程
}
queue.offer(element);
if (consumerWaiter != null) {
LockSupport.unpark(consumerWaiter); // 唤醒消费者线程
}
}
public synchronized T take() throws InterruptedException {
while (queue.isEmpty()) {
consumerWaiter = Thread.currentThread();
LockSupport.park(this); // 队列为空，阻塞消费者线程
}
T element = queue.poll();
if (producerWaiter != null) {
LockSupport.unpark(producerWaiter); // 唤醒生产者线程
}
return element;
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
BlockingQueue<Integer> queue = new BlockingQueue<>(10);
Thread producer = new Thread(() -> {
try {
for (int i = 0; i < 20; i++) {
queue.put(i);
System.out.println("Produced: " + i);
Thread.sleep(100); // 模拟生产时间
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
Thread consumer = new Thread(() -> {
try {
for (int i = 0; i < 20; i++) {
Integer element = queue.take();
System.out.println("Consumed: " + element);
Thread.sleep(200); // 模拟消费时间
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
producer.start();
consumer.start();
producer.join();
consumer.join();
}
}在这个例子中，我们使用LockSupport实现了put()和take()方法，用于阻塞和唤醒生产者和消费者线程。当队列已满时，生产者线程会被阻塞，直到队列有空闲空间。当队列为空时，消费者线程会被阻塞，直到队列有数据。
LockSupport的灵活应用
LockSupport相较于传统的wait/notify提供了更灵活的线程控制机制。通过理解其底层原理和合理应用，可以构建更高效、更可靠的并发程序。需要注意的是，在使用时要充分考虑线程安全和死锁问题，并根据实际需求选择合适的阻塞和唤醒策略。