手書きJava LockSupportの実装方法

まえがき

ReentrantLock の内部実装やその他のツールなど、JDK によって提供されるさまざまな同時実行ツールの中で、よく使用されるツールがあります。 、このツールは LockSupport です。 LockSupport は非常に強力な機能を提供します。これはスレッド ブロックの最も基本的なプリミティブです。スレッドをブロックしたり、スレッドをウェイクアップしたりできるため、同時実行シナリオでよく使用されます。

LockSupport の実装原理

LockSupport の実装原理を理解する前に、まずケースを使用して LockSupport の機能を理解しましょう。

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
  }
}

上記のコードの出力は次のとおりです。

Before park
The main threadrested for 5s
The main thread unpark thread
After park

LockSupport の park と unpark で実装される関数と、await と signal で実装される関数は一見同じように見えますが、実際は同じではありません。次のコードを見てみましょう。

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
 
  }
}

上記のコード出力 結果は次のとおりです。

Main thread unpark thread
park before
park after

In上記のコードでは、メインスレッドが最初にパーク解除操作を実行し、次にスレッドスレッドがパーク操作のみを実行します。この場合、プログラムも正常に実行できます。ただし、シグナル呼び出しが await 呼び出しの前にある場合、プログラムは実行されません。たとえば、次のコード:

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();
  }
}

上記のコードの出力は次のとおりです:

#シグナル送信

メインスレッドのロック解除が完了しました

#上記のコードでは、「完了を待っています」というメッセージは出力されません。これは、await の前にシグナル関数が呼び出され、シグナル関数が呼び出されるからです。前に実行された await 関数は影響しますが、その後に呼び出される await には影響しません。

この効果の理由は何ですか?

実際には、JVM が LockSupport を実装すると、スレッドごとにカウンタ変数 _counter が内部的に維持されます。この変数は「ライセンス数」を表します。ライセンスがある場合にのみ、スレッドはただし、同時に実行できるライセンスの最大数は 1 つだけです。パークを 1 回呼び出すと、ライセンスの数が 1 つ減ります。 unpark が 1 回呼び出されると、カウンターは 1 つ増加しますが、カウンターの値は 1 を超えることはできません。

スレッドがパークを呼び出すとき、スレッドはライセンスを待つ必要があります。ライセンスを取得した後にのみ、スレッドは実行を続行できます。または、パーク前にライセンスが取得されている場合は、実行を継続できません。ブロックされていても、直接実行できます。

自分で独自の LockSupport を実装する

実装原理

前の記事では、ロックサポートの原理を紹介しました。その主な内部実装はライセンスによって実現されます。

各スレッドが取得できるライセンスの最大数は 1 です。
unpark メソッドが呼び出されると、スレッドはライセンスを取得できます。ライセンス数の上限は 1 です。すでにライセンスがある場合、ライセンスを蓄積することはできません。
park メソッドを呼び出すときに、park メソッドを呼び出すスレッドにライセンスがない場合、別のスレッドが unpark メソッドを呼び出してこのスレッドに発行するまで、このスレッドを一時停止する必要があります。スレッドの実行を続行するにはライセンスが必要です。ただし、スレッドがすでにライセンスを持っている場合、スレッドはブロックされず、直接実行できます。
LockSupport プロトコル規制を独自に実装する

独自の Parker 実装では、スレッドのライセンス数を記録するカウンターを各スレッドに与えることもできます。ライセンスの数が 0 以上の場合、スレッドは実行できますが、それ以外の場合はスレッドをブロックする必要があります。プロトコルの特定のルールは次のとおりです。 #初期スレッドのライセンス数は0です。

カウンタ値が 1 に等しく、park を呼び出したときにカウンタ値が 0 になった場合、スレッドは実行を続行できます。
park を呼び出したときにカウンタ値が 0 の場合、スレッドは実行を続行できません。スレッドを一時停止する必要があり、カウンタ値は -1 に設定されます。
unpark を呼び出したときに、パーク解除されたスレッドのカウンタ値が 0 の場合、カウンタ値を 1 に変更する必要があります。
unpark を呼び出したときに、パーク解除されたスレッドのカウンターの値が 1 に等しい場合、カウンターの値を変更する必要はありません。カウンタは1です。
unpark を呼び出したときに、カウンター値が -1 に等しい場合、スレッドが一時停止されていることを意味するため、スレッドを起動してカウンター値を回復する必要があります。 0に設定します。
ツール

• スレッドのブロックとウェイクアップが含まれるため、リエントラント ロック ReentrantLock と条件変数 Condition を使用できるため、これらの使用法に慣れる必要があります。 2つのツール。

ReentrantLock は主にロックとロック解除に使用され、重要なセクションを保護するために使用されます。

Condition.awat メソッドはスレッドをブロックするために使用されます。

Condition.signal メソッドは、スレッドを起動するために使用されます。

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

构造函数主要对变量进行赋值：

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

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();
  }
}

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();
  }
}

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();
    }
  }
}

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");
  }
}

JVM实现的park方法，如果没有许可证也是会将线程挂起的：

以上が手書きJava LockSupportの実装方法の詳細内容です。詳細については、PHP 中国語 Web サイトの他の関連記事を参照してください。