关于java:java代码层jvm层linux用户层linux内核层说ReentrantLock与AQS阻塞和唤醒

本文从四个层面，垂直的形式论述了线程阻塞和唤醒。别离为 java 代码层，jvm 层，linux 用户层。通过可视化运行的形式具体的看到和感知到每层是怎么做到的，心愿对你有所帮忙

java lock 锁对并发资源拜访是比跨过的坎。而 lock 的实质又是 AQS，AQS 能够说是 juc package 的外围，一个类就能够撑持这个高级又重要的 mutil thread framework。想想作者都厉害。网上曾经有很多大牛对 AQS、ReentrantLock 有很好的解说论述了。然而都偏实践，有没有一种形式：可视化的看到多线程是怎么抢占 lock 的，抢不到的时候是怎么排队的，排队时刻整个 AQS 是什么样的状态，排队的线程是怎么做到阻塞的，底层原理是什么，抢到的线程开释 lock 时排队的线程是怎么拿到锁的，等等一系列的疑难。

本文从实际的角度登程，通过 debug 模式发明多线程切换拜访 lock 的场景，可视化上述问题的产生和解决的形式办法。

》本文力求专一和精简，心愿你有所播种和想法

炒股的同学都听过关键点位法。落到咱们技术上，理解和明确这些关键点位，可能真切的了解 AQS 和 AQS 的一个具体的利用场景：ReentrantLock

从实际的角度可视化阻塞，排队，唤醒，出队等场景
简述几种线程排队各场景时 AQS 对象的状态
线程阻塞和唤醒的代码点
java 线程阻塞的实现原理，java 代码层面实现、jvm 层面实现、零碎用户态层面实现、零碎内核层面实现，四个层面的分割

概念上讲，对于 lock 的原理是：当两个线程抢占一个资源时，实质是竞争失去这个资源的锁，抢到的线程开始做事件，没抢到的线程排队期待抢到的线程开释锁并告诉他。而后他取得锁，也开始做事件。

具体上讲，对于 ReentrantLock 和 AQS，ReentrantLock 应用了 AQS 实现的性能，而 AQS 通过更新它的字段：state 和队列来实现锁

咱们从一个 lock 的应用示例开始这个 ” 途程 ”。

留神图中的 breakpoint 断点，为了分清，我做了标识: bp1，bp2，bp3，bp4，bp5。留神，breakpoint 断点的 suspend 抉择 thread 类型

当初开始 run debug 程序。

如图，看到两个线程都起来了。切换线程时你会发现两个线程别离是 bp1 和 bp2 处。咱们让两个线程都执行到 bp3 处，此时，两个线程都行将要获取锁了。
咱们看下此时 Lock 锁的状态：能够看到 state 为 0，队列为空

咱们接着执行线程 Thread-0，线程 Thread- 0 开始进入 Lock 外部。

final void lock() {if (compareAndSetState(0, 1)) //(1)
        setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    else
        acquire(1); //(2)
}
          // 代码段 1

在 (1)执行后，线程 Thread- 0 将 AQS 的 state 执行加一操作，这里是 state 从 0 更新为 1，表明线程 Thread- 0 失去了 lock 锁，此时看下 lock 锁的状态，如下图

能够看到只有一处变动：state 从 0 变成了 1。线程 Thread- 0 回到 outPut()办法执行业务逻辑。

咱们切换到线程 Thread-1，线程 Thread- 1 也进入了 Lock 外部。因为线程 Thread- 0 在持有锁，所以线程 Thread- 1 执行 ” 代码段 1″ 的 (2) 处，因为本文关注的开始处的关键点位，所以简单化 acquire(1)办法的逻辑：acquire(1)由三个办法组成：tryAcquire(arg)、addWaiter(Node.EXCLUSIVE)、acquireQueued(node, arg)

tryAcquire(arg): 尝试再获取一次，或者进行可重入锁

addWaiter(Node.EXCLUSIVE): 创立一个节点，将这个节点在 AQS 队列（head，tail）上排队，排在队尾。咱们看下这个节点的信息快照，如下图，创立是 waitStatus 为 0，同时持有以后的线程

BTW: waitStatus 的 value 很重要，如下

// 表明节点持有的线程被勾销了
CANCELLED =  1;

// 表明节点的后继节点的线程须要勾销停车
SIGNAL    = -1;

// 表明节点的线程正在期待 condition 条件
CONDITION = -2;

// 下一个共享模式的获取锁应该无条件的传递
PROPAGATE = -3;

0:None of the above

acquireQueued(node, arg): 由 shouldParkAfterFailedAcquire 和 parkAndCheckInterrupt 组成
— shouldParkAfterFailedAcquire：将以后 node 节点的前继节点的 waitStatus 更新为 SIGNAL(-1)。因为以后 node 节点的唤醒是须要它的前继节点触发的，SIGNAL(-1) 就是标记做这个事儿的。这个办法执行完，咱们看下此时的 AQS 对象的信息快照

— parkAndCheckInterrupt：让以后线程停车 (线程挂起)，实质是通过 UNSAFE.park(false, 0L) 实现的。这个办法是 native 的，即要查看 jvm 源码(这个上面会说)。
```
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {LockSupport.park(this); //this:AQS 对象
  return Thread.interrupted();}
public static void park(Object blocker) {
  // blocker:AQS 对象
  Thread t = Thread.currentThread();
  setBlocker(t, blocker); 
  UNSAFE.park(false, 0L);
  setBlocker(t, null);
}
```
BTW:setBlocker(t, blocker)其实是将 AQS 对象赋值到以后线程 thread 的 parkBlocker 字段，这个字段用于诊断和剖析工具应用。

如图，当执行 bp6 断点行后，以后线程 Thread- 1 就进入了阻塞状态。马上你就想到了，什么时候唤醒呢。

到这里咱们梳理下：当初 AQS 队列中有两个节点：线程 Thread- 0 所在的节点为 AQS 队列的 head 节点，标记 A 节点；线程 Thread- 1 所在的节点为 AQS 队列的 tail 节点，标记 B 节点。A 是 B 的前继节点，B 是 A 的后继节点。

咱们把线程切换回 Thread-0。后面咱们说过，Thread- 0 线程进入了业务办法 outPut 执行，执行完业务后，就能够开释锁了，即 lock.unlock()，即如下图

咱们进入 unlock 办法外部

public final boolean release(int arg) {if (tryRelease(arg)) { 
        Node h = head;
        if (h != null && h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}
          // 代码段 2

release: 由两个办法组成: tryRelease(arg)和 unparkSuccessor(head)
— tryRelease：将 AQS 的 state 执行减一操作：这里是从 1 更新为 0。
— unparkSuccessor(head)：将 head 节点的 waitStatus 从 - 1 更新为 0。调用 LockSupport.unpark(s.thread)唤醒 s 节点的线程
咱们晓得以后线程 Thread- 0 的节点是 AQS 队列的 head 节点，head 节点的 waitStatus 为 SINGAL(-1)，它的意思是唤醒后继节点。所以在这里 unparkSuccessor 唤醒的就是 Thread- 1 线程所在的节点。只有执行 LockSupport.unpark(s.thread)，即会唤醒 Thread- 0 线程。如下图，由阻塞在 bp6 断点行，唤醒了线程 Thread- 1 执行到了 bp7 断点行

线程 Thread- 1 在 acquireQueued 办法的 (5) 处被唤醒后，代码还是在 acquireQueued 办法的无线循环内。所以它的前继节点如果是 head 节点，那么会将此节点赋值为 head 节点，同时会尝试获取 lock 锁，行将 AQS 的 state 进行加一操作，这里即从 0 更新为 1, 表明此时 Thread- 1 获取了 lock 锁，同时 Thread- 1 线程所在的节点成为了 AQS 的 head 节点。

boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean interrupted = false;
    for (;;) {final Node p = node.predecessor(); 
        if (p == head && tryAcquire(arg)) {// (3) 会尝试获取 lock 锁
            setHead(node);                  // (4) 此节点赋值为 head 节点
            p.next = null; // help GC
            return interrupted;
        }
        ... parkAndCheckInterrupt() 唤醒     // (5) 唤醒
    }
        
}

当初，Thread- 0 开释了 lock 锁，而 Thread- 1 获取了 lock 锁。咱们在看下此时 AQS 对象的信息快照，如下图

到这里，关键点中的 1，2，3 都曾经有答案了。对于 4，咱们持续 >>>

通过下面的实际，咱们晓得了，线程的挂起和唤醒是通过 Unsafe.park(false,0L) 和 Unsafe.unpark(thread)来实现的。然而他们是 native 类型的。所以源码的话须要去 jvm 里看了

这时须要咱们装置调试版的 openjdk。我装置的 openjdk8u60 并应用 Clion IDE 关上。具体的装置过程自行 google 就好。open Clion，如下图

咱们先看个大略，其余的先疏忽，记住一点：咱们要的货色都在 hotspot/src 目录下，jvm 和 java 代码的映射关系有两个规定：
1、类的对应关系：类名称雷同，扩展名不同
2、办法的对应关系：XXX.xxx() ==> XXX_Xxx()。
如咱们要看 Unsafe.park，所以咱们先搜寻 unsafe 类，会失去 unsafe.cpp；而后再文件中找到 Unsafe_Park，后果如下图

上图中圈中的是重点，能够看到 thread->parker()->park(isAbsolute != 0, time)，依据它，咱们找到了 os_bsd.cpp 文件（这是 mac 零碎，如果 linux 零碎，文件名是 os_linux.cpp）中的 Parker::park 办法，如下图

整个办法大抵是看看_counter 这个计数器是否大于 0，是否有线程中断。如果执行到 pthread_mutex_trylock 办法(确切叫函数)，尝试加 mutex 锁。pthread_mutex_trylock 办法是一个零碎调用，它会针对操作系统的一个互斥量进行加锁，加锁胜利将返回 0。而 Unpark 函数和 park 函数大体一致的。
pthread.h

__API_AVAILABLE(macos(10.4), ios(2.0))
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *);

__API_AVAILABLE(macos(10.4), ios(2.0))
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *);

每个线程都会关联一个 Parker 对象，每个 Parker 对象都各自保护了三个角色：计数器、互斥量、条件变量。
park 操作：
获取以后线程关联的 Parker 对象。
将计数器置为 0，同时查看计数器的原值是否为 1，如果是则放弃后续操作。
在互斥量上加锁。
在条件变量上阻塞，同时开释锁并期待被其余线程唤醒，当被唤醒后，将从新获取锁。
当线程复原至运行状态后，将计数器的值再次置为 0。
开释锁。

unpark 操作：
获取指标线程关联的 Parker 对象（留神指标线程不是以后线程）。
在互斥量上加锁。
将计数器置为 1。
唤醒在条件变量上期待着的线程。
开释锁。

这就是 jvm 层咱们看到的线程挂起和唤醒。

上面看看 pthread_mutex_trylock 的零碎层是怎么实现的

下面我跟踪到了 pthread.h 文件，这里只有 pthread_mutex_lock 函数的申明，其实现是通过 C/C++ Runtime Library 库。咱们能够通过 man 命令查看 pthread_mutex_lock，会发现它是 3 类命令，即 Library calls 命令。最终 pthread_mutex_lock 调用 System calls 类型的 LLL_UNLOCK(基于 Linux 的 futex)来实现的。
咱们来查看下：
$ man pthread_mutex_lock

pthread_mutex_lock 的实现如下，

pthread_mutex_lock (pthread_mutex_t *mutex) {if (type == PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP)) {
      /* Normal mutex.  */
      /*LLL_UNLOCK 宏是 lll_unlock (mutex->__data.__lock, PTHREAD_MUTEX_PSHARED (mutex));
       PTHREAD_MUTEX_PSHARED 是不同过程间的, 线程见的话, 为 false
      */
      LLL_UNLOCK(mutex);
  }
  else if (type == PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP) {
      /* Recursive mutex.  */
      pid_t id = THREAD_GETMEM (THREAD_SELF, tid);
    /* 若曾经持有了此锁, 减少计数, 无需 block 此线程 */
    if (mutex->__data.__owner == id){
              ++mutex->__data.__count;
              return 0;
        }
        // 去判断锁变量, 如果不行, 被 OS 休眠掉
        LLL_MUTEX_LOCK (mutex);    
        // 拿到了锁, 锁变量是 ok 的, 则设置 count
        mutex->__data.__count = 1;
    }
    // ... 非凡解决和其余类型锁的逻辑疏忽...
}

mutex 是一个构造体，构造如下：

pthread_mutex_t {
    int __lock; // 锁变量, 传给零碎调用 futex, 用作用户空间的锁变量
    usigned int __count;  // 可重入的计数
    int __owner;   // 被哪个线程占有了
    int __kind;  // 是否过程间共享, 等等...
  // int __nusers; // 其余字段略
}

Tips: 通过 man man 能够查看命令属于的哪类：如库函数调用，还是内核调用等，咱们罕用的是 1 类命令

大体来看，pthread_mutex_lock 次要是调用底层的 lll_lock/lll_unlock, 其实就是调用 futex 的 FUTEX_WAIT/FUTEX_WAKE 操作, 来实现线程的休眠和唤醒工作。

咱们称 pthread_mutex_lock 为用户态，它调用的是内核态的 futex 函数

当初咱们一起理解下内核的 futex 函数，通过 man futex 能够晓得是 system calls 类型。

Futex 的思路是把总线 LOCK 替换成自旋，而且把自旋局部放在用户态。
pthread_mutex_lock 函数将交由 lowlevellock 的 lll_lock() 执行自旋，自旋的第一步是尝试把 futex 标记变量从 0 置为 1，标记着从闲暇到申请但无竞争，一旦原子性的变量笼罩胜利，意味着锁获取胜利，否则执行 __lll_lock_wait() 自旋，把标记置为 2，标记存在竞争并陷入内核，执行 futex() 零碎调用对线程 / 过程进行阻塞。

上面咱们理论运行一个程序，同时通过 strace 命令查看下程序运行时对应的零碎内核函数调用状况。为此，咱们筹备一个 java 程序，运行在 linux 环境下，代码如下
/root/project/lock/C1_1_LockSupportTest.java

public class C1_1_LockSupportTest {public static void main(String[] args) {Thread t1 = new Thread(() -> {System.out.println("park 开始");
            LockSupport.park();
            System.out.println("park 完结");
        }, "t1");

        Thread t2 = new Thread(() -> {System.out.println("unpark 开始");
            LockSupport.unpark(t1);
            System.out.println("unpark 完结");
        }, "t2");

        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        String input;
        System.out.println("输出“1”启动 t1 线程，输出“2”启动 t2 线程，输出“3”退出");
        while (!(input = scanner.nextLine()).equals("3")) {if (input.equals("1")) {if (t1.getState().equals(Thread.State.NEW)) {t1.start();
                }
            } else if (input.equals("2")) {if (t2.getState().equals(Thread.State.NEW)) {t2.start();
                }
            }
        }
    }
}

程序的内容是定义两个线程，一个是 LockSupport.park()阻塞，一个是 LockSupport.unpark(t1)唤醒。输出 1：启动线程 t1，从而暂停线程 t1；输出 2：启动线程 t2，从而唤醒线程 t1；输出 3：程序执行完结

javac 编译失去 C1_1_LockSupportTest.class，而后 strace -ff -o out java C1_1_LockSupportTest 运行，这个命令会将 C1_1_LockSupportTest 的每个的线程对内核的调用具体的输入。输入的文件是 out 结尾的，执行命令后，为了不便查看，我开了 4 个 window，如下

strace 命令产生这个后果的原理，我是从周志垒大神那里学来的，感激。

当初只须要晓得 C1_1_LockSupportTest 程序的 main 线程的信息是在 out.31105 文件就行，可执行 tail -f out.31105，实时查看 main 线程的执行信息。

main 线程在期待输出动作，留神查看 win4 窗口，最初一个 out 文件当初是：out.31113。当咱们输出 1 时，会运行线程 t1，而后咱们在看会发现多了一个 out 文件：out.32102。如下图 win4

此时，线程 t1 执行了 LockSupport.park()，所以线程 t1 挂起。在 win3 的页面，咱们通过 tail -f out.32102 查看，会发现 linux 内核调用了 futex 函数，futex 函数的入参和等号后的数字的含意，自行 google 就好。

当初咱们再输出 2，运行线程 t2，执行 LockSupport.unpark(t1)来唤醒 t1，此时再看 4 个 win 窗口的变动。如下图，重点看 win3 窗口，能够发现，原来是停在 futex 的地位，当初多输入了几行，直到输出 exit(0)。因为线程 t1 唤醒后，接着输入 ”park 完结 ” 后，整个线程就完结了。

接着输出 3，完结这个程序。这就是整个 java 线程挂起和唤醒时在 linux 内核态所做的事件的演示。当初，关键点 4 也说完了。

下图是线程在各时段下，AQS 的状态变动图，展现了 AQS 从初始化阶段到两个线程在 AQS 中抢锁，再到都开释锁的整个过程

下图为各个层的阻塞的办法和函数

这里形容了 java 的 park 和 unpark 从 java 层到 jvm 层、到 linux 用户层、到 linux 内核层所做的一系列事件。本文更多的是串联整个过程，而非具体具体解说。目标是起到一个疏导和引入的作用。一是能力无限，更多的是可视化整个流程，从而使大家能具体的看到和感知整个过程。加深了解，而不是死记硬背。

本文的一些实践来自网上的大牛的文章，感激大佬。

t1,t2 代码起源
JVM 源码剖析（四）：深刻了解 park / unpark
pthread_mutex_lock：
Chapter 4 Programming with Synchronization Objects

中文版

mutex-lock-for-linux-thread-synchronization/

pthread_mutex_trylock 的源码在 glibc/nptl/pthread_mutex_trylock.c 文件，
门路：https://code.woboq.org/usersp…

futex:
some-synchronization-designs-of-user-mode

translation-basics-of-futexes

关于java:java代码层jvm层linux用户层linux内核层说ReentrantLock与AQS阻塞和唤醒

背景

关键点位

注释

java 代码层

jvm 层

linux 用户层

linux 内核层

it`s time to summary

附件