Java的LockSupport工具,Condition接口和ConditionObject

本文详细介绍了Java并发编程中LockSupport工具和Condition接口的应用。LockSupport通过Unsafe类实现了线程的阻塞与唤醒,而Condition则提供了更灵活的线程间同步机制。两者都是Java并发工具包中的重要组成部分。

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在之前我们文章(关于多线程编程基础和同步器),我们就接触到了LockSupport工具和Condition接口,之前使用LockSupport工具来唤醒阻塞的线程,使用Condition接口来实现线程的等待和唤醒和Object方法里面的wait方法和notify方法。接下来我们就LockSupport和Condition进行展开:

  1. LockSupport
  2. Condition
  3. ConditionObject

LockSupport

在说LockSupport之前我们有必要说一下Unsafe类,这个类可以进行一些原子操作(CAS),和一些非常有用但是我们的Java又不允许的操作。对于本文我们只需要知道Unsafe可以进行阻塞和唤醒操作,当然它的功能不知这些,参考了别人的文章发现自己再写相关的介绍好多余,特别推荐我给出的第一篇来自importNew的文章,里面介绍的很细致!
下面给出介绍Unsafe比较好的文章:
http://www.importnew.com/14511.html
https://www.cnblogs.com/mickole/articles/3757278.html
https://www.cnblogs.com/pkufork/p/java_unsafe.html

Unsafe类的作用:
以下的介绍出自https://www.cnblogs.com/pkufork/p/java_unsafe.html(加粗以示强调,侵删)

一、内存管理。包括分配内存、释放内存等。
该部分包括了allocateMemory(分配内存)、reallocateMemory(重新分配内存)、copyMemory(拷贝内存)、freeMemory(释放内存 )、getAddress(获取内存地址)、addressSize、pageSize、getInt(获取内存地址指向的整数)、getIntVolatile(获取内存地址指向的整数,并支持volatile语义)、putInt(将整数写入指定内存地址)、putIntVolatile(将整数写入指定内存地址,并支持volatile语义)、putOrderedInt(将整数写入指定内存地址、有序或者有延迟的方法)等方法。getXXX和putXXX包含了各种基本类型的操作。
利用copyMemory方法,我们可以实现一个通用的对象拷贝方法,无需再对每一个对象都实现clone方法,当然这通用的方法只能做到对象浅拷贝。

二、非常规的对象实例化。
allocateInstance()方法提供了另一种创建实例的途径。通常我们可以用new或者反射来实例化对象,使用allocateInstance()方法可以直接生成对象实例,且无需调用构造方法和其它初始化方法。
这在对象反序列化的时候会很有用,能够重建和设置final字段,而不需要调用构造方法。

三、操作类、对象、变量。
这部分包括了staticFieldOffset(静态域偏移)、defineClass(定义类)、defineAnonymousClass(定义匿名类)、ensureClassInitialized(确保类初始化)、objectFieldOffset(对象域偏移)等方法。
通过这些方法我们可以获取对象的指针,通过对指针进行偏移,我们不仅可以直接修改指针指向的数据(即使它们是私有的),甚至可以找到JVM已经认定为垃圾、可以进行回收的对象。

四、数组操作。
这部分包括了arrayBaseOffset(获取数组第一个元素的偏移地址)、arrayIndexScale(获取数组中元素的增量地址)等方法。arrayBaseOffset与arrayIndexScale配合起来使用,就可以定位数组中每个元素在内存中的位置。
由于Java的数组最大值为Integer.MAX_VALUE,使用Unsafe类的内存分配方法可以实现超大数组。实际上这样的数据就可以认为是C数组,因此需要注意在合适的时间释放内存。

五、多线程同步。包括锁机制、CAS操作等。
这部分包括了monitorEnter、tryMonitorEnter、monitorExit、compareAndSwapInt、compareAndSwap等方法。
其中monitorEnter、tryMonitorEnter、monitorExit已经被标记为deprecated,不建议使用。
Unsafe类的CAS操作可能是用的最多的,它为Java的锁机制提供了一种新的解决办法,比如AtomicInteger等类都是通过该方法来实现的。compareAndSwap方法是原子的,可以避免繁重的锁机制,提高代码效率。这是一种乐观锁,通常认为在大部分情况下不出现竞态条件,如果操作失败,会不断重试直到成功。

六、挂起与恢复。
这部分包括了park、unpark等方法。
将一个线程进行挂起是通过park方法实现的,调用 park后,线程将一直阻塞直到超时或者中断等条件出现。unpark可以终止一个挂起的线程,使其恢复正常。整个并发框架中对线程的挂起操作被封装在 LockSupport类中,LockSupport类中有各种版本pack方法,但最终都调用了Unsafe.park()方法。
七、内存屏障。
这部分包括了loadFence、storeFence、fullFence等方法。这是在Java 8新引入的,用于定义内存屏障,避免代码重排序。
loadFence() 表示该方法之前的所有load操作在内存屏障之前完成。同理storeFence()表示该方法之前的所有store操作在内存屏障之前完成。fullFence()表示该方法之前的所有load、store操作在内存屏障之前完成。

本篇文章我们仅需要知道它是可以进行阻塞唤醒操作的即可:
下面我们继续说LockSupport:
整个LockSupport类并不大(注释很多,很全面,赞),加上大批量的注释也就400行出头,里面最主要的就是调用Unsafe的方法,所以很简洁!

package java.util.concurrent.locks;
import sun.misc.Unsafe;

public class LockSupport {
    private LockSupport() {} // Cannot be instantiated.


    private static void setBlocker(Thread t, Object arg) {
        // Even though volatile, hotspot doesn't need a write barrier here.
        UNSAFE.putObject(t, parkBlockerOffset, arg);
    }

    //唤醒处于阻塞状态的线程
    public static void unpark(Thread thread) {
        if (thread != null)
            UNSAFE.unpark(thread);
    }

    //阻塞调用此方法的线程,这个的参数是阻塞对象,用来表示当前线程在等待的对象,
    //用于排查和系统监控(这个在Java6后添加的,同期还添加了parkNanos方法和parkUtil方法,里面都含有blocker参数)
    public static void park(Object blocker) {
        Thread t = Thread.currentThread();
        setBlocker(t, blocker);
        UNSAFE.park(false, 0L);
        setBlocker(t, null);
    }
    //阻塞当前线程最长不超过nanos纳秒
    public static void parkNanos(Object blocker, long nanos) {
        if (nanos > 0) {
            Thread t = Thread.currentThread();
            setBlocker(t, blocker);
            UNSAFE.park(false, nanos);
            setBlocker(t, null);
        }
    }

    //阻塞当前线程直到deadline
    public static void parkUntil(Object blocker, long deadline) {
        Thread t = Thread.currentThread();
        setBlocker(t, blocker);
        UNSAFE.park(true, deadline);
        setBlocker(t, null);
    }

    //获取阻塞对象
    public static Object getBlocker(Thread t) {
        if (t == null)
            throw new NullPointerException();
        return UNSAFE.getObjectVolatile(t, parkBlockerOffset);
    }

    //阻塞线程
    public static void park() {
        UNSAFE.park(false, 0L);
    }

    //阻塞当前线程最长不超过nanos纳秒
    public static void parkNanos(long nanos) {
        if (nanos > 0)
            UNSAFE.park(false, nanos);
    }

    //阻塞当前线程直到deadline(无阻塞对象参数)
    public static void parkUntil(long deadline) {
        UNSAFE.park(true, deadline);
    }


    static final int nextSecondarySeed() {
        int r;
        Thread t = Thread.currentThread();
        if ((r = UNSAFE.getInt(t, SECONDARY)) != 0) {
            r ^= r << 13;   // xorshift
            r ^= r >>> 17;
            r ^= r << 5;
        }
        else if ((r = java.util.concurrent.ThreadLocalRandom.current().nextInt()) == 0)
            r = 1; // avoid zero
        UNSAFE.putInt(t, SECONDARY, r);
        return r;
    }

    // Hotspot implementation via intrinsics API
    private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;
    private static final long parkBlockerOffset;
    private static final long SEED;
    private static final long PROBE;
    private static final long SECONDARY;
    static {
        try {
            UNSAFE = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
            Class<?> tk = Thread.class;
            parkBlockerOffset = UNSAFE.objectFieldOffset
                (tk.getDeclaredField("parkBlocker"));
            SEED = UNSAFE.objectFieldOffset
                (tk.getDeclaredField("threadLocalRandomSeed"));
            PROBE = UNSAFE.objectFieldOffset
                (tk.getDeclaredField("threadLocalRandomProbe"));
            SECONDARY = UNSAFE.objectFieldOffset
                (tk.getDeclaredField("threadLocalRandomSecondarySeed"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }
}

上面的代码我们会发现又两种版本的,有blocker参数和无blocker参数,这个参数是用来当代码出问题的时候,我们dump出等待对象的信息,在Java6推出的Lock等并发工具遗漏了这些功能,所以Java6进行了补充,所以有blocker参数的方法可以替代原来无blocker参数的方法!


Condition

所有的Java对象都有监视器方法(在Object上),有wait(),wait(long timeout),notify(),notifyAll(),这些方法在使用的时候往往配合着synchronized使用,来完成等待通知,Condition接口也提供了类似的方法接口,例如await(),signal()。
它可以实现多个等待队列,并且支持当前线程释放锁并进入等待状态,在等待状态中不响应中断和当前线程释放锁进入等待状态到将来的某个时间(这是之前,现在的Object对象是可以释放锁到将来的某个时间的)。

Condition接口代码:

public interface Condition {

    //当前线程进入等待状态,直到被通知或中断
    void await() throws InterruptedException;

    //当前线程进入等待状态,直到被通知或中断(对中断不敏感)
    void awaitUninterruptibly();

    //当前线程进入等待状态,直到被通知,中断或超时
    long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;

    //当前线程进入等待状态,直到被通知,中断或超时(注意这个返回值是boolean)
    boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

    //当前线程进入等待状态,直到被通知,中断或到某个时间
    boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;

    //唤醒一个在Condition上的线程
    void signal();

    //唤醒所有在Condition上的线程
    void signalAll();
}

那么Condition怎么来获取:

    Lock lock = new ReentrantLock();
    Condition c = lock.newCondition();

newCondition是Lock接口内定义的方法,后面每个实现Lock的接口都会实现这个方法。
但是Lock的实现方法里面一般不会自己提供newCondition方法而是这样:

 public Condition newCondition() {
        return sync.newCondition();
    }
 final ConditionObject newCondition() {
            return new ConditionObject();
    }

通过new ConditionObject来创建Condition实例,所以可以说ConditionObject是Condition接口的主要实现类:

 public class ConditionObject implements Condition, 
 java.io.Serializable {
     .
     .
     .
}

值得一说的是,额,这个ConditionObject 类是写在AbstractQueuedSynchronizer内部的,但是好像并不是它的内部类(可能是考虑到用户可以自定义一个同步组件),我在书上看(《并发编程的艺术》)上面写ConditionObject 是AbstractQueuedSynchronizer内部类(可能版本更新,将ConditionObject外置了吧)。


ConditionObject

其实在之前写关于同步器文章的时候就应该包含这个,为此还被大神鄙视了一番,没有详尽的分析源码,这里补上。
所以这里值得讨论的就不再是Condition接口了,而是它的实现类ConditionObject。
除了实现Condition接口里面的一些方法,ConditionObject也添加了一些监视和控制的工具方法,我们主要分析Condition的await和notify方法。

ConditionObject维持了一个等待队列,和之前我们描述的同步队列结构类似,简直可以照搬过来使用。
这里写图片描述
上面是同步队列,下面是等待队列。

当调用await方法的时候,这时当前线程一定获取了与这个condition对象对应的锁了,当调用await方法的时候同样等同于同步队列的首节点移动到了等待队列当中。

接下来看看ConditionObject的结构:
命名:

 public class ConditionObject implements Condition, 
 java.io.Serializable {
 {

字段

    //头结点和尾节点
    private transient Node firstWaiter;
    private transient Node lastWaiter;

构造函数:

  public ConditionObject() { }

主要方法:
我们从await方法开始:

    public final void await() throws InterruptedException {
            //当前线程中断抛出异常
            if (Thread.interrupted())
                throw new InterruptedException();
            //为调用await 方法创建节点
            Node node = addConditionWaiter();
            //释放同步状态,fullyRelease里面会调用释放方法,
            //同时唤醒同步队列的下一个节点
            int savedState = fullyRelease(node);
            //下面是对监控变量做的改变
            int interruptMode = 0;
            //如果节点不在同步队列中
            while (!isOnSyncQueue(node)) {
                LockSupport.park(this);
                if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
                    break;
            }
            //只有成功获取锁后,调用await方法的线程才能用await方法返回
            if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
                interruptMode = REINTERRUPT;
            if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
                unlinkCancelledWaiters();
            if (interruptMode != 0)
                reportInterruptAfterWait(interruptMode);
        }
private Node addConditionWaiter() {
            //获取尾节点
            Node t = lastWaiter;
            // If lastWaiter is cancelled, clean out.
            if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
                unlinkCancelledWaiters();
                t = lastWaiter;
            }
            //为线程创建新节点
            Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
            if (t == null)
                firstWaiter = node;
            else
                t.nextWaiter = node;
            lastWaiter = node;
            //返回这个新节点
            return node;
        }

唤醒方法:

  public final void signal() {
            //如果当前线程未获取锁,抛出异常
            if (!isHeldExclusively())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            //获取同步队列的首节点
            Node first = firstWaiter;
            //如果头结点不为空,那么将它移动到同步队列并使用LockSupport唤醒
            if (first != null)
                doSignal(first);
        }
  private void doSignal(Node first) {
            do {
                if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
                    lastWaiter = null;
                first.nextWaiter = null;
                //transferForSignal方法将等待队列节点重新包装成Node节点
                //加入同步队列
            } while (!transferForSignal(first) &&
                     (first = firstWaiter) != null);
        }

signalAll方法和上面的signal方法雷同,就是通知等待队列中的每一个节点,将它们移动到等待队列中。

当一个节点被唤醒后,加入同步队列中,将从await方法中的while循环(isOnSyncQueue)返回,进而调用acquireQueued方法加入获取同步状态的行列中。

到这里关于锁的学习就结束了,AQS真的是博大精深,自知自己学习的还是不到位,仅仅是明白了一些简单基本的原理,以后还会花时间去深入的看!

如有错误欢迎指正,不胜感激!
2018.3.30 11:10

<think>我们正在分析Java线程阻塞或等待的堆栈跟踪,特别是在遇到死、性能问题或线程挂起时。常见的堆栈中会出现如`sun.misc.Unsafe.park`、`LockSupport.parkNanos`、`AQS`(AbstractQueuedSynchronizer)的`ConditionObject.awaitNanos`等方法。这些通常与线程的阻塞唤醒机制有关。 根据引用[1][2],我们知道: - `LockSupport`是Java中用于线程阻塞唤醒的工具类,它基于“许可”(permit)机制。 - 每个线程都有一个与之关联的许可(permit),其值只能是0或1,默认是0。 - 当调用`LockSupport.park()`时,如果许可可用(为1),则立即返回,并将许可置为0;否则,当前线程会被阻塞。 - 当调用`LockSupport.unpark(Thread thread)`时,如果该线程的许可不可用(为0),则使其变为可用(1)。如果该线程因为`park`而阻塞,则会被唤醒。 在`java.util.concurrent.locks`包中,`AbstractQueuedSynchronizer`(AQS)是构建同步器的基础框架,它使用`LockSupport`来阻塞唤醒线程。例如,在条件变量`ConditionObject`中,`await`方法会让线程阻塞,直到被信号唤醒或中断。 当我们在线程堆栈中看到`sun.misc.Unsafe.park`时,这通常是因为`LockSupport.park`方法最终调用了`Unsafe.park`方法(引用[1])。同样,`LockSupport.parkNanos`用于带有超时的阻塞。 现在,我们分析线程阻塞的原因: 1. **正常等待条件满足**:线程可能正在等待某个条件(如的释放、任务队列非空等)。例如,在`ReentrantLock`中,如果被其他线程持有,当前线程会进入AQS的等待队列并阻塞。当释放时,会唤醒等待的线程。 2. **等待超时**:使用`parkNanos`或`awaitNanos`等方法,线程会阻塞直到超时时间到达或者被唤醒。 3. **死**:多个线程互相等待对方释放,导致所有线程都无法继续执行。此时,线程堆栈中会显示多个线程在等待。 4. **活**:线程不断改变状态而无法继续执行,但堆栈可能显示为正常的等待状态(较少见)。 5. **资源不足**:例如,线程池任务队列已满,提交任务的线程被阻塞(如使用`SynchronousQueue`时)。 6. **中断状态**:线程在阻塞过程中被中断,但中断处理可能没有正确唤醒线程。 7. **未唤醒**:线程被`park`阻塞,但后续没有对应的`unpark`来唤醒它(可能是编程错误,如条件判断错误导致未调用唤醒方法)。 在分析堆栈时,我们需要关注: - 线程的状态:`java.lang.Thread.State`。例如,`WAITING (parking)`表示线程在`park`上等待。 - 堆栈的调用链:查看线程阻塞在哪个对象上(如对象、条件对象),以及阻塞的原因(如等待条件、等待)。 - 结合日志代码:查看在阻塞点之前的代码逻辑,判断是否满足唤醒条件。 例如,一个典型的AQS条件等待的堆栈可能如下: ``` "Thread-0" #12 prio=5 os_prio=0 tid=0x000000001d9e8000 nid=0x1d34 waiting on condition [0x000000001e4ef000] java.lang.Thread.State: WAITING (parking) at sun.misc.Unsafe.park(Native Method) - parking to wait for <0x00000000d5d5c4d0> (a java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$ConditionObject) at java.util.concurrent.locks.LockSupport.park(LockSupport.java:175) at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$ConditionObject.await(AbstractQueuedSynchronizer.java:2039) at com.example.MyService.doSomething(MyService.java:123) ... ``` 这里,线程在`ConditionObject.await`方法中阻塞,等待条件变量(地址为`0x00000000d5d5c4d0`)的信号。我们需要检查代码中是否有对应的`signal`或`signalAll`调用,以及条件判断是否正确。 **排查步骤**: 1. 收集所有线程的堆栈(使用jstack或jcmd)。 2. 查找处于`WAITING`、`TIMED_WAITING`或`BLOCKED`状态的线程。 3. 分析每个阻塞线程的堆栈,确定阻塞点(如、条件变量、IO等)。 4. 检查资源竞争依赖关系,特别是的持有等待关系,以判断死。 5. 检查代码逻辑,确保在适当的时候调用唤醒方法(如`unpark`、`signal`、`signalAll`)。 6. 使用工具(如jconsole、VisualVM)监控线程状态情况。 如果遇到死,堆栈中通常会显示多个线程互相等待。例如: ``` Thread A: waiting to lock <0x00000000d5d5c4d0> (a com.example.Resource) held by Thread B Thread B: waiting to lock <0x00000000d5d5c4e0> (a com.example.Resource) held by Thread A ``` 此时,需要调整的获取顺序,或者使用死检测恢复机制。 对于非死的线程挂起,可能是由于未唤醒导致。需要检查条件变量的使用是否正确,确保在条件满足时调用唤醒方法。 **相关问题**: 1. 如何收集分析Java线程堆栈? 2. 在Java中,如何诊断死? 3. 除了`LockSupport`,Java中还有哪些线程阻塞唤醒的机制? 4. 如何避免线程因未唤醒而永久挂起? 5. 在AQS中,条件变量`ConditionObject`的使用有哪些注意事项?</think>### Java线程阻塞堆栈分析:`sun.misc.Unsafe.park`与相关机制 当线程堆栈中出现`sun.misc.Unsafe.park`、`LockSupport.parkNanos`、`AQS ConditionObject.awaitNanos`等调用时,通常表示线程因等待资源而主动进入阻塞状态。以下是关键原因分析: #### 1. **线程阻塞的核心机制** - **`LockSupport.park`系列方法**:线程阻塞的基础API(引用[2])。 通过**许可(permit)**机制工作: - 初始许可为0,`park()`消耗许可(若无许可则阻塞) - `unpark(thread)`发放许可(若线程阻塞则唤醒) - **`Unsafe.park`底层实现**: `LockSupport.park()`最终调用`Unsafe.park()`(引用[1]),通过操作系统原语实现线程挂起。 - **AQS同步框架**: `AbstractQueuedSynchronizer`(如ReentrantLock)`ConditionObject`(条件变量)使用`LockSupport`管理线程阻塞队列(引用[1][4])。 #### 2. **常见阻塞场景与堆栈特征** | 场景 | 典型堆栈特征 | 原因分析 | |---------------------|---------------------------------------------|--------------------------------------------------------------------------| | **竞争** | `java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$Sync.lock()` → `AQS.acquire()` → `LockSupport.park()` | 线程等待获取资源 | | **条件等待** | `ConditionObject.await()` → `LockSupport.park()` | 线程调用`condition.await()`主动释放并阻塞(如生产者-消费者模型) | | **超时等待** | `LockSupport.parkNanos(n)` 或 `ConditionObject.awaitNanos(n)` | 带超时的阻塞,常见于定时任务或避免永久阻塞 | | **线程池任务调度** | `ThreadPoolExecutor.getTask()` → `workQueue.take()` → `LockSupport.park()` | 工作线程等待新任务(如ScheduledThreadPoolExecutor) | | **资源耗尽** | `Semaphore.acquire()` → `AQS.acquireSharedInterruptibly()` → `LockSupport.park()` | 信号量许可不足时阻塞 | #### 3. **阻塞原因诊断步骤** 1. **定位阻塞对象** 检查堆栈中`parking to wait for <0x00000000d6d1f1d0>`(地址值),确定等待的/条件变量。 ```java // 示例堆栈片段 at sun.misc.Unsafe.park(Native Method) - parking to wait for <0x00000000d6d1f1d0> (a java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$ConditionObject) ``` 2. **分析同步器状态** - 使用`jstack`或`jcmd`查看持有的线程(`locked <0x...>`) - 检查`ConditionObject`是否缺少`signal()`/`signalAll()`调用 3. **排查死** 若多个线程互相等待资源,结合堆栈信息绘制资源依赖图: ``` Thread-A: waiting to lock <0x00000000d6d1f1d0> (held by Thread-B) blocked on ConditionObject.await() Thread-B: waiting to lock <0x00000000d6d1f2e0> (held by Thread-A) blocked on ReentrantLock.lock() ``` 4. **检查超时设置** 若使用`parkNanos`/`awaitNanos`,确认超时值是否合理: - 过小→频繁唤醒消耗CPU - 过大→响应延迟 #### 4. **典型问题解决方案** - **死**:调整获取顺序,或使用`tryLock(timeout)`(引用[4]) - **未唤醒**:确保`await()`后必有`signal()`,且检查条件谓词(如while循环) ```java // 正确用法 while (!condition) { condition.await(); // 防止虚假唤醒 } ``` - **永久阻塞**:检查`unpark()`是否被遗漏,或使用守护线程+超时 - **性能优化**: 将`LockSupport.park()`替换为`parkNanos(1)`(自旋优化),但需测试CPU影响 #### 5. **工具推荐** - **`jstack`/`jcmd`**:捕获线程堆栈 - **Arthas**:实时监控线程状态,执行`thread -b`检测死 - **VisualVM**:图形化分析竞争 > 关键提示:`Unsafe.park()`是**非中断阻塞**,需配合`Thread.interrupt()`实现取消(抛出`InterruptedException`)。
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