4.锁定--Java的LockSupport.park()实现分析

LockSupport类是Java6(JSR166-JUC)引入的一个类，提供了主要的线程同步原语。

LockSupport实际上是调用了Unsafe类里的函数。归结到Unsafe里，仅仅有两个函数：

[java]  view plain copy

1. public native void unpark(Thread jthread);  
2. public native void park(boolean isAbsolute, long time);  

isAbsolute參数是指明时间是绝对的，还是相对的。

只两个简单的接口。就为上层提供了强大的同步原语。

先来解析下两个函数是做什么的。

unpark函数为线程提供“许可(permit)”，线程调用park函数则等待“许可”。

这个有点像信号量，可是这个“许可”是不能叠加的，“许可”是一次性的。

比方线程B连续调用了三次unpark函数，当线程A调用park函数就使用掉这个“许可”，假设线程A再次调用park，则进入等待状态。

注意。unpark函数能够先于park调用。比方线程B调用unpark函数，给线程A发了一个“许可”，那么当线程A调用park时。它发现已经有“许可”了。那么它会立即再继续执行。

实际上，park函数即使没有“许可”。有时也会无理由地返回，这点等下再解析。

park和unpark的灵活之处

上面已经提到，unpark函数能够先于park调用。这个正是它们的灵活之处。

一个线程它有可能在别的线程unPark之前，或者之后，或者同一时候调用了park，那么由于park的特性。它能够不用操心自己的park的时序问题，否则，假设park必需要在unpark之前，那么给编程带来非常大的麻烦。。

考虑一下，两个线程同步，要怎样处理？

在Java5里是用wait/notify/notifyAll来同步的。wait/notify机制有个非常蛋疼的地方是，比方线程B要用notify通知线程A。那么线程B要确保线程A已经在wait调用上等待了，否则线程A可能永远都在等待。编程的时候就会非常蛋疼。

另外，是调用notify，还是notifyAll？

notify仅仅会唤醒一个线程，假设错误地有两个线程在同一个对象上wait等待。那么又悲剧了。为了安全起见，貌似仅仅能调用notifyAll了。

park/unpark模型真正解耦了线程之间的同步。线程之间不再须要一个Object或者其他变量来存储状态。不再须要关心对方的状态。

HotSpot里park/unpark的实现

每一个java线程都有一个Parker实例。Parker类是这样定义的：

[cpp]  view plain copy

1. class Parker : public os::PlatformParker {  
2. private:  
3.   volatile int _counter ;  
4.   ...  
5. public:  
6.   void park(bool isAbsolute, jlong time);  
7.   void unpark();  
8.   ...  
9. }  
10. class PlatformParker : public CHeapObj<mtInternal> {  
11.   protected:  
12.     pthread_mutex_t _mutex [1] ;  
13.     pthread_cond_t  _cond  [1] ;  
14.     ...  
15. }  

能够看到Parker类实际上用Posix的mutex，condition来实现的。

在Parker类里的_counter字段，就是用来记录所谓的“许可”的。

当调用park时，先尝试直接是否能直接拿到“许可”，即_counter>0时。假设成功。则把_counter设置为0,并返回：

[cpp]  view plain copy

1. void Parker::park(bool isAbsolute, jlong time) {  
2.   // Ideally we'd do something useful while spinning, such  
3.   // as calling unpackTime().  
4.   
5.   
6.   // Optional fast-path check:  
7.   // Return immediately if a permit is available.  
8.   // We depend on Atomic::xchg() having full barrier semantics  
9.   // since we are doing a lock-free update to _counter.  
10.   if (Atomic::xchg(0, &_counter) > 0) return;  

假设不成功，则构造一个ThreadBlockInVM。然后检查_counter是不是>0。假设是，则把_counter设置为0，unlock mutex并返回：

[cpp]  view plain copy

1. ThreadBlockInVM tbivm(jt);  
2. if (_counter > 0)  { // no wait needed  
3.   _counter = 0;  
4.   status = pthread_mutex_unlock(_mutex);  

否则，再推断等待的时间，然后再调用pthread_cond_wait函数等待，假设等待返回。则把_counter设置为0，unlock mutex并返回：

[cpp]  view plain copy

1. if (time == 0) {  
2.   status = pthread_cond_wait (_cond, _mutex) ;  
3. }  
4. _counter = 0 ;  
5. status = pthread_mutex_unlock(_mutex) ;  
6. assert_status(status == 0, status, "invariant") ;  
7. OrderAccess::fence();  

当unpark时，则简单多了。直接设置_counter为1。再unlock mutext返回。假设_counter之前的值是0，则还要调用pthread_cond_signal唤醒在park中等待的线程：

[cpp]  view plain copy

1. void Parker::unpark() {  
2.   int s, status ;  
3.   status = pthread_mutex_lock(_mutex);  
4.   assert (status == 0, "invariant") ;  
5.   s = _counter;  
6.   _counter = 1;  
7.   if (s < 1) {  
8.      if (WorkAroundNPTLTimedWaitHang) {  
9.         status = pthread_cond_signal (_cond) ;  
10.         assert (status == 0, "invariant") ;  
11.         status = pthread_mutex_unlock(_mutex);  
12.         assert (status == 0, "invariant") ;  
13.      } else {  
14.         status = pthread_mutex_unlock(_mutex);  
15.         assert (status == 0, "invariant") ;  
16.         status = pthread_cond_signal (_cond) ;  
17.         assert (status == 0, "invariant") ;  
18.      }  
19.   } else {  
20.     pthread_mutex_unlock(_mutex);  
21.     assert (status == 0, "invariant") ;  
22.   }  
23. }  

简而言之。是用mutex和condition保护了一个_counter的变量。当park时。这个变量置为了0，当unpark时，这个变量置为1。

值得注意的是在park函数里。调用pthread_cond_wait时，并没实用while来推断，所以posix condition里的"Spurious wakeup"一样会传递到上层Java的代码里。

关于"Spurious wakeup"，參考上一篇blog：http://blog.csdn.net/hengyunabc/article/details/27969613

[cpp]  view plain copy

1. if (time == 0) {  
2.   status = pthread_cond_wait (_cond, _mutex) ;  
3. }  

这也就是为什么Java dos里提到，当以下三种情况下park函数会返回：

• Some other thread invokes unpark with the current thread as the target; or
• Some other thread interrupts the current thread; or
• The call spuriously (that is, for no reason) returns.

相关的实现代码在：

http://hg.openjdk.java.net/build-infra/jdk7/hotspot/file/52c4a1ae6adc/src/share/vm/runtime/park.hpp
http://hg.openjdk.java.net/build-infra/jdk7/hotspot/file/52c4a1ae6adc/src/share/vm/runtime/park.cpp
http://hg.openjdk.java.net/build-infra/jdk7/hotspot/file/52c4a1ae6adc/src/os/linux/vm/os_linux.hpp
http://hg.openjdk.java.net/build-infra/jdk7/hotspot/file/52c4a1ae6adc/src/os/linux/vm/os_linux.cpp  

其他的一些东东：

Parker类在分配内存时，使用了一个技巧，重载了new函数来实现了cache line对齐。

[cpp]  view plain copy

1. // We use placement-new to force ParkEvent instances to be  
2. // aligned on 256-byte address boundaries.  This ensures that the least  
3. // significant byte of a ParkEvent address is always 0.  
4.    
5. void * operator new (size_t sz) ;  

Parker里使用了一个无锁的队列在分配释放Parker实例：

[cpp]  view plain copy

1. volatile int Parker::ListLock = 0 ;  
2. Parker * volatile Parker::FreeList = NULL ;  
3.   
4. Parker * Parker::Allocate (JavaThread * t) {  
5.   guarantee (t != NULL, "invariant") ;  
6.   Parker * p ;  
7.   
8.   // Start by trying to recycle an existing but unassociated  
9.   // Parker from the global free list.  
10.   for (;;) {  
11.     p = FreeList ;  
12.     if (p  == NULL) break ;  
13.     // 1: Detach  
14.     // Tantamount to p = Swap (&FreeList, NULL)  
15.     if (Atomic::cmpxchg_ptr (NULL, &FreeList, p) != p) {  
16.        continue ;  
17.     }  
18.   
19.     // We've detached the list.  The list in-hand is now  
20.     // local to this thread.   This thread can operate on the  
21.     // list without risk of interference from other threads.  
22.     // 2: Extract -- pop the 1st element from the list.  
23.     Parker * List = p->FreeNext ;  
24.     if (List == NULL) break ;  
25.     for (;;) {  
26.         // 3: Try to reattach the residual list  
27.         guarantee (List != NULL, "invariant") ;  
28.         Parker * Arv =  (Parker *) Atomic::cmpxchg_ptr (List, &FreeList, NULL) ;  
29.         if (Arv == NULL) break ;  
30.   
31.         // New nodes arrived.  Try to detach the recent arrivals.  
32.         if (Atomic::cmpxchg_ptr (NULL, &FreeList, Arv) != Arv) {  
33.             continue ;  
34.         }  
35.         guarantee (Arv != NULL, "invariant") ;  
36.         // 4: Merge Arv into List  
37.         Parker * Tail = List ;  
38.         while (Tail->FreeNext != NULL) Tail = Tail->FreeNext ;  
39.         Tail->FreeNext = Arv ;  
40.     }  
41.     break ;  
42.   }  
43.   
44.   if (p != NULL) {  
45.     guarantee (p->AssociatedWith == NULL, "invariant") ;  
46.   } else {  
47.     // Do this the hard way -- materialize a new Parker..  
48.     // In rare cases an allocating thread might detach  
49.     // a long list -- installing null into FreeList --and  
50.     // then stall.  Another thread calling Allocate() would see  
51.     // FreeList == null and then invoke the ctor.  In this case we  
52.     // end up with more Parkers in circulation than we need, but  
53.     // the race is rare and the outcome is benign.  
54.     // Ideally, the # of extant Parkers is equal to the  
55.     // maximum # of threads that existed at any one time.  
56.     // Because of the race mentioned above, segments of the  
57.     // freelist can be transiently inaccessible.  At worst  
58.     // we may end up with the # of Parkers in circulation  
59.     // slightly above the ideal.  
60.     p = new Parker() ;  
61.   }  
62.   p->AssociatedWith = t ;          // Associate p with t  
63.   p->FreeNext       = NULL ;  
64.   return p ;  
65. }  
66.   
67.   
68. void Parker::Release (Parker * p) {  
69.   if (p == NULL) return ;  
70.   guarantee (p->AssociatedWith != NULL, "invariant") ;  
71.   guarantee (p->FreeNext == NULL      , "invariant") ;  
72.   p->AssociatedWith = NULL ;  
73.   for (;;) {  
74.     // Push p onto FreeList  
75.     Parker * List = FreeList ;  
76.     p->FreeNext = List ;  
77.     if (Atomic::cmpxchg_ptr (p, &FreeList, List) == List) break ;  
78.   }  
79. }  

总结与扯谈

JUC(Java Util Concurrency)仅用简单的park, unpark和CAS指令就实现了各种高级同步数据结构，并且效率非常高，令人惊叹。

在C++程序猿各种自制*的时候，Java程序猿则有非常丰富的并发数据结构，如lock，latch，queue，map等信手拈来。

要知道像C++直到C++11才有标准的线程库，同步原语，但离高级的并发数据结构还有非常远。boost库有提供一些线程，同步相关的类，但也是非常easy的。

Intel的tbb有一些高级的并发数据结构，可是国内boost都用得少，更别说tbb了。

最開始研究无锁算法的是C/C++程序猿，可是后来非常多Java程序猿。或者类库開始自制各种高级的并发数据结构，常常能够看到有分析Java并发包的文章。

反而C/C++程序猿总是在分析无锁的队列算法。

高级的并发数据结构。比方并发的HashMap。没有看到有相关的实现或者分析的文章。在C++11之后，这样的情况才有好转。

由于正确高效实现一个Concurrent Hash Map是非常困难的，要对内存CPU有深刻的认识。并且还要面对CPU不断升级带来的各种坑。

我觉得真正值得信赖的C++并发库，仅仅有Intel的tbb和微软的PPL。

https://software.intel.com/en-us/node/506042     Intel® Threading Building Blocks 

http://msdn.microsoft.com/en-us/library/dd492418.aspx   Parallel Patterns Library (PPL)

另外FaceBook也开源了一个C++的类库，里面也有并发数据结构。

https://github.com/facebook/folly

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