高并发之Semaphore、Exchanger、LockSupport
本系列研究总结高并发下的几种同步锁的使用以及之间的区别,分别是:ReentrantLock、CountDownLatch、CyclicBarrier、Phaser、ReadWriteLock、StampedLock、Semaphore、Exchanger、LockSupport。由于博客园对博客字数的要求限制,会分为三个篇幅:
高并发之ReentrantLock、CountDownLatch、CyclicBarrier
高并发之Phaser、ReadWriteLock、StampedLock
高并发之Semaphore、Exchanger、LockSupport
Semaphore
信号量(Semaphore)，有时被称为信号灯，是在多线程环境下使用的一种设施, 它负责协调各个线程, 以保证它们能够正确、合理的使用公共资源。Semaphore分为单值和多值两种，前者只能被一个线程获得，后者可以被若干个线程获得。
情境引入
以一个停车场是运作为例。为了简单起见，假设停车场只有三个车位，一开始三个车位都是空的。这是如果同时来了五辆车，看门人允许其中三辆不受阻碍的进入，然后放下车拦，剩下的车则必须在入口等待，此后来的车也都不得不在入口处等待。这时，有一辆车离开停车场，看门人得知后，打开车拦，放入一辆，如果又离开两辆，则又可以放入两辆，如此往复。
在这个停车场系统中，车位是公共资源，每辆车好比一个线程，看门人起的就是信号量的作用。更进一步，信号量的特性如下：信号量是一个非负整数（车位数），所有通过它的线程（车辆）都会将该整数减一（通过它当然是为了使用资源），当该整数值为零时，所有试图通过它的线程都将处于等待状态。在信号量上我们定义两种操作： Wait（等待） 和 Release（释放）。 当一个线程调用Wait等待）操作时，它要么通过然后将信号量减一，要么一自等下去，直到信号量大于一或超时。Release（释放）实际上是在信号量上执行加操作，对应于车辆离开停车场，该操作之所以叫做“释放”是应为加操作实际上是释放了由信号量守护的资源。
使用代码示例
public class TestSemaphore {
public static void main(String[] args) {
//Semaphore s = new Semaphore(2);
Semaphore s = new Semaphore(2, true);
//允许一个线程同时执行
//Semaphore s = new Semaphore(1);
new Thread(()->{
try {
s.acquire();
System.out.println("T1 running...");
Thread.sleep(200);
System.out.println("T1 running...");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
s.release();
}
}).start();
new Thread(()->{
try {
s.acquire();
System.out.println("T2 running...");
Thread.sleep(200);
System.out.println("T2 running...");
s.release();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
}
}
Exchanger
Exchanger，它允许在并发任务之间交换数据。具体来说，Exchanger类允许在两个线程之间定义同步点。当两个线程都到达同步点时，他们交换数据结构，因此第一个线程的数据结构进入到第二个线程中，第二个线程的数据结构进入到第一个线程中。
Exchanger是在两个任务之间交换对象的栅栏，当这些任务进入栅栏时，它们各自拥有一个对象。当他们离开时，它们都拥有之前由对象持有的对象。它典型的应用场景是：一个任务在创建对象，这些对象的生产代价很高昂，而另一个任务在消费这些对象。通过这种方式，可以有更多的对象在被创建的同时被消费。
应用示例
Exchange实现较为复杂，我们先看其怎么使用，然后再来分析其源码。现在我们用Exchange来模拟生产-消费者问题：
public class ExchangerTest {
static class Producer implements Runnable{
//生产者、消费者交换的数据结构
private List<String> buffer;
//步生产者和消费者的交换对象
private Exchanger<List<String>> exchanger;
Producer(List<String> buffer,Exchanger<List<String>> exchanger){
this.buffer = buffer;
this.exchanger = exchanger;
}
@Override
public void run() {
for(int i = 1 ; i < 5 ; i++){
System.out.println("生产者第" + i + "次提供");
for(int j = 1 ; j <= 3 ; j++){
System.out.println("生产者装入" + i + "--" + j);
buffer.add("buffer：" + i + "--" + j);
}
System.out.println("生产者装满，等待与消费者交换...");
try {
exchanger.exchange(buffer);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
static class Consumer implements Runnable {
private List<String> buffer;
private final Exchanger<List<String>> exchanger;
public Consumer(List<String> buffer, Exchanger<List<String>> exchanger) {
this.buffer = buffer;
this.exchanger = exchanger;
}
@Override
public void run() {
for (int i = 1; i < 5; i++) {
//调用exchange()与消费者进行数据交换
try {
buffer = exchanger.exchange(buffer);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("消费者第" + i + "次提取");
for (int j = 1; j <= 3 ; j++) {
System.out.println("消费者 : " + buffer.get(0));
buffer.remove(0);
}
}
}
}
public static void main(String[] args){
List<String> buffer1 = new ArrayList<String>();
List<String> buffer2 = new ArrayList<String>();
Exchanger<List<String>> exchanger = new Exchanger<List<String>>();
Thread producerThread = new Thread(new Producer(buffer1,exchanger));
Thread consumerThread = new Thread(new Consumer(buffer2,exchanger));
producerThread.start();
consumerThread.start();
}
}
打印结果
生产者第1次提供
生产者装入1--1
生产者装入1--2
生产者装入1--3
生产者装满，等待与消费者交换...
生产者第2次提供
生产者装入2--1
生产者装入2--2
生产者装入2--3
生产者装满，等待与消费者交换...
消费者第1次提取
消费者 : buffer：1--1
消费者 : buffer：1--2
消费者 : buffer：1--3
消费者第2次提取
......
首先生产者Producer、消费者Consumer首先都创建一个缓冲列表，通过Exchanger来同步交换数据。消费中通过调用Exchanger与生产者进行同步来获取数据，而生产者则通过for循环向缓存队列存储数据并使用exchanger对象消费者同步。到消费者从exchanger哪里得到数据后，他的缓冲列表中有3个数据，而生产者得到的则是一个空的列表。上面的例子充分展示了消费者-生产者是如何利用Exchanger来完成数据交换的。
在Exchanger中，如果一个线程已经到达了exchanger节点时，对于它的伙伴节点的情况有三种：
- 如果它的伙伴节点在该线程到达之前已经调用了exchanger方法，则它会唤醒它的伙伴然后进行数据交换，得到各自数据返回。
- 如果它的伙伴节点还没有到达交换点，则该线程将会被挂起，等待它的伙伴节点到达被唤醒，完成数据交换。
- 如果当前线程被中断了则抛出异常，或者等待超时了，则抛出超时异常。
实现分析
Exchanger算法的核心是通过一个可交换数据的slot，以及一个可以带有数据item的参与者。源码中的描述如下：
for (;;) {
if (slot is empty) { // offer
place item in a Node;
if (can CAS slot from empty to node) {
wait for release;
return matching item in node;
}
}
else if (can CAS slot from node to empty) { // release
get the item in node;
set matching item in node;
release waiting thread;
}
// else retry on CAS failure
}
Exchanger中定义了如下几个重要的成员变量：
private final Participant participant;
private volatile Node[] arena;
private volatile Node slot;
participant的作用是为每个线程保留唯一的一个Node节点。
slot为单个槽，arena为数组槽。他们都是Node类型。在这里可能会感觉到疑惑，slot作为Exchanger交换数据的场景，应该只需要一个就可以了啊？为何还多了一个Participant 和数组类型的arena呢？一个slot交换场所原则上来说应该是可以的，但实际情况却不是如此，多个参与者使用同一个交换场所时，会存在严重伸缩性问题。既然单个交换场所存在问题，那么我们就安排多个，也就是数组arena。通过数组arena来安排不同的线程使用不同的slot来降低竞争问题，并且可以保证最终一定会成对交换数据。但是Exchanger不是一来就会生成arena数组来降低竞争，只有当产生竞争是才会生成arena数组。那么怎么将Node与当前线程绑定呢？Participant ，Participant 的作用就是为每个线程保留唯一的一个Node节点，它继承ThreadLocal，同时在Node节点中记录在arena中的下标index。
Node定义如下：
@sun.misc.Contended static final class Node {
int index; // Arena index
int bound; // Last recorded value of Exchanger.bound
int collides; // Number of CAS failures at current bound
int hash; // Pseudo-random for spins
Object item; // This thread's current item
volatile Object match; // Item provided by releasing thread
volatile Thread parked; // Set to this thread when parked, else null
}
- index：arena的下标；
- bound：上一次记录的Exchanger.bound；
- collides：在当前bound下CAS失败的次数；
- hash：伪随机数，用于自旋；
- item：这个线程的当前项，也就是需要交换的数据；
- match：做releasing操作的线程传递的项；
- parked：挂起时设置线程值，其他情况下为null；
在Node定义中有两个变量值得思考：bound以及collides。前面提到了数组area是为了避免竞争而产生的，如果系统不存在竞争问题，那么完全没有必要开辟一个高效的arena来徒增系统的复杂性。首先通过单个slot的exchanger来交换数据，当探测到竞争时将安排不同的位置的slot来保存线程Node，并且可以确保没有slot会在同一个缓存行上。如何来判断会有竞争呢？CAS替换slot失败，如果失败，则通过记录冲突次数来扩展arena的尺寸，我们在记录冲突的过程中会跟踪“bound”的值，以及会重新计算冲突次数在bound的值被改变时。这里阐述可能有点儿模糊，不着急，我们先有这个概念，后面在arenaExchange中再次做详细阐述,我们直接看exchange()方法。
exchange(V x)
exchange(V x)：等待另一个线程到达此交换点（除非当前线程被中断），然后将给定的对象传送给该线程，并接收该线程的对象。方法定义如下：
public V exchange(V x) throws InterruptedException {
Object v;
Object item = (x == null) ? NULL_ITEM : x; // translate null args
if ((arena != null ||
(v = slotExchange(item, false, 0L)) == null) &&
((Thread.interrupted() || // disambiguates null return
(v = arenaExchange(item, false, 0L)) == null)))
throw new InterruptedException();
return (v == NULL_ITEM) ? null : (V)v;
}
这个方法比较好理解：arena为数组槽，如果为null，则执行slotExchange()方法，否则判断线程是否中断，如果中断值抛出InterruptedException异常，没有中断则执行arenaExchange()方法。整套逻辑就是：如果slotExchange(Object item, boolean timed, long ns)方法执行失败了就执行arenaExchange(Object item, boolean timed, long ns)方法，最后返回结果V。
NULL_ITEM 为一个空节点，其实就是一个Object对象而已，slotExchange()为单个slot交换。
slotExchange(Object item, boolean timed, long ns)
private final Object slotExchange(Object item, boolean timed, long ns) {
// 获取当前线程的节点 p
Node p = participant.get();
// 当前线程
Thread t = Thread.currentThread();
// 线程中断，直接返回
if (t.isInterrupted())
return null;
// 自旋
for (Node q;;) {
//slot != null
if ((q = slot) != null) {
//尝试CAS替换
if (U.compareAndSwapObject(this, SLOT, q, null)) {
Object v = q.item; // 当前线程的项，也就是交换的数据
q.match = item; // 做releasing操作的线程传递的项
Thread w = q.parked; // 挂起时设置线程值
// 挂起线程不为null，线程挂起
if (w != null)
U.unpark(w);
return v;
}
//如果失败了，则创建arena
//bound 则是上次Exchanger.bound
if (NCPU > 1 && bound == 0 &&
U.compareAndSwapInt(this, BOUND, 0, SEQ))
arena = new Node[(FULL + 2) << ASHIFT];
}
//如果arena != null，直接返回，进入arenaExchange逻辑处理
else if (arena != null)
return null;
else {
p.item = item;
if (U.compareAndSwapObject(this, SLOT, null, p))
break;
p.item = null;
}
}
/*
* 等待 release
* 进入spin+block模式
*/
int h = p.hash;
long end = timed ? System.nanoTime() + ns : 0L;
int spins = (NCPU > 1) ? SPINS : 1;
Object v;
while ((v = p.match) == null) {
if (spins > 0) {
h ^= h << 1; h ^= h >>> 3; h ^= h << 10;
if (h == 0)
h = SPINS | (int)t.getId();
else if (h < 0 && (--spins & ((SPINS >>> 1) - 1)) == 0)
Thread.yield();
}
else if (slot != p)
spins = SPINS;
else if (!t.isInterrupted() && arena == null &&
(!timed || (ns = end - System.nanoTime()) > 0L)) {
U.putObject(t, BLOCKER, this);
p.parked = t;
if (slot == p)
U.park(false, ns);
p.parked = null;
U.putObject(t, BLOCKER, null);
}
else if (U.compareAndSwapObject(this, SLOT, p, null)) {
v = timed && ns <= 0L && !t.isInterrupted() ? TIMED_OUT : null;
break;
}
}
U.putOrderedObject(p, MATCH, null);
p.item = null;
p.hash = h;
return v;
}
程序首先通过participant获取当前线程节点Node。检测是否中断，如果中断return null，等待后续抛出InterruptedException异常。
如果slot不为null，则进行slot消除，成功直接返回数据V，否则失败，则创建arena消除数组。
如果slot为null，但arena不为null，则返回null，进入arenaExchange逻辑。
如果slot为null，且arena也为null，则尝试占领该slot，失败重试，成功则跳出循环进入spin+block（自旋+阻塞）模式。
在自旋+阻塞模式中，首先取得结束时间和自旋次数。如果match(做releasing操作的线程传递的项)为null，其首先尝试spins+随机次自旋（改自旋使用当前节点中的hash，并改变之）和退让。当自旋数为0后，假如slot发生了改变（slot != p）则重置自旋数并重试。否则假如：当前未中断&arena为null&（当前不是限时版本或者限时版本+当前时间未结束）：阻塞或者限时阻塞。假如：当前中断或者arena不为null或者当前为限时版本+时间已经结束：不限时版本：置v为null；限时版本：如果时间结束以及未中断则TIMED_OUT；否则给出null（原因是探测到arena非空或者当前线程中断）。
match不为空时跳出循环。
整个slotExchange清晰明了。
arenaExchange
arenaExchange(Object item, boolean timed, long ns)
private final Object arenaExchange(Object item, boolean timed, long ns) {
Node[] a = arena;
Node p = participant.get();
for (int i = p.index;;) { // access slot at i
int b, m, c; long j; // j is raw array offset
Node q = (Node)U.getObjectVolatile(a, j = (i << ASHIFT) + ABASE);
if (q != null && U.compareAndSwapObject(a, j, q, null)) {
Object v = q.item; // release
q.match = item;
Thread w = q.parked;
if (w != null)
U.unpark(w);
return v;
}
else if (i <= (m = (b = bound) & MMASK) && q == null) {
p.item = item; // offer
if (U.compareAndSwapObject(a, j, null, p)) {
long end = (timed && m == 0) ? System.nanoTime() + ns : 0L;
Thread t = Thread.currentThread(); // wait
for (int h = p.hash, spins = SPINS;;) {
Object v = p.match;
if (v != null) {
U.putOrderedObject(p, MATCH, null);
p.item = null; // clear for next use
p.hash = h;
return v;
}
else if (spins > 0) {
h ^= h << 1; h ^= h >>> 3; h ^= h << 10; // xorshift
if (h == 0) // initialize hash
h = SPINS | (int)t.getId();
else if (h < 0 && // approx 50% true
(--spins & ((SPINS >>> 1) - 1)) == 0)
Thread.yield(); // two yields per wait
}
else if (U.getObjectVolatile(a, j) != p)
spins = SPINS; // releaser hasn't set match yet
else if (!t.isInterrupted() && m == 0 &&
(!timed ||
(ns = end - System.nanoTime()) > 0L)) {
U.putObject(t, BLOCKER, this); // emulate LockSupport
p.parked = t; // minimize window
if (U.getObjectVolatile(a, j) == p)
U.park(false, ns);
p.parked = null;
U.putObject(t, BLOCKER, null);
}
else if (U.getObjectVolatile(a, j) == p &&
U.compareAndSwapObject(a, j, p, null)) {
if (m != 0) // try to shrink
U.compareAndSwapInt(this, BOUND, b, b + SEQ - 1);
p.item = null;
p.hash = h;
i = p.index >>>= 1; // descend
if (Thread.interrupted())
return null;
if (timed && m == 0 && ns <= 0L)
return TIMED_OUT;
break; // expired; restart
}
}
}
else
p.item = null; // clear offer
}
else {
if (p.bound != b) { // stale; reset
p.bound = b;
p.collides = 0;
i = (i != m || m == 0) ? m : m - 1;
}
else if ((c = p.collides) < m || m == FULL ||
!U.compareAndSwapInt(this, BOUND, b, b + SEQ + 1)) {
p.collides = c + 1;
i = (i == 0) ? m : i - 1; // cyclically traverse
}
else
i = m + 1; // grow
p.index = i;
}
}
}
首先通过participant取得当前节点Node，然后根据当前节点Node的index去取arena中相对应的节点node。前面提到过arena可以确保不同的slot在arena中是不会相冲突的，那么是怎么保证的呢？我们先看arena的创建：
arena = new Node[(FULL + 2) << ASHIFT];
这个arena到底有多大呢？我们先看FULL 和ASHIFT的定义：
static final int FULL = (NCPU >= (MMASK << 1)) ? MMASK : NCPU >>> 1;
private static final int ASHIFT = 7;
private static final int NCPU = Runtime.getRuntime().availableProcessors();
private static final int MMASK = 0xff; // 255
假如我的机器NCPU = 8 ，则得到的是768大小的arena数组。然后通过以下代码取得在arena中的节点：
Node q = (Node)U.getObjectVolatile(a, j = (i << ASHIFT) + ABASE);
仍然是通过右移ASHIFT位来取得Node的，ABASE定义如下：
Class<?> ak = Node[].class;
ABASE = U.arrayBaseOffset(ak) + (1 << ASHIFT);
U.arrayBaseOffset获取对象头长度，数组元素的大小可以通过unsafe.arrayIndexScale(T[].class) 方法获取到。这也就是说要访问类型为T的第N个元素的话，你的偏移量offset应该是arrayOffset+N*arrayScale。也就是说BASE = arrayOffset+ 128 。其次我们再看Node节点的定义
@sun.misc.Contended static final class Node{
....
}
在Java 8 中我们是可以利用sun.misc.Contended来规避伪共享的。所以说通过 << ASHIFT方式加上sun.misc.Contended，所以使得任意两个可用Node不会再同一个缓存行中。
LockSupport
LockSupport是一个线程阻塞工具类，所有的方法都是静态方法，可以让线程在任意位置阻塞，当然阻塞之后肯定得有唤醒的方法。
常用方法
接下面我来看看LockSupport有哪些常用的方法。主要有两类方法：park和unpark。
public static void park(Object blocker); // 暂停当前线程
public static void parkNanos(Object blocker, long nanos); // 暂停当前线程，不过有超时时间的限制
public static void parkUntil(Object blocker, long deadline); // 暂停当前线程，直到某个时间
public static void park(); // 无期限暂停当前线程
public static void parkNanos(long nanos); // 暂停当前线程，不过有超时时间的限制
public static void parkUntil(long deadline); // 暂停当前线程，直到某个时间
public static void unpark(Thread thread); // 恢复当前线程
public static Object getBlocker(Thread t);
park英文意思为停车。我们如果把Thread看成一辆车的话，park就是让车停下，unpark就是让车启动然后跑起来。
写一个例子来看看这个工具类怎么用
public class LockSupportDemo {
public static Object u = new Object();
static ChangeObjectThread t1 = new ChangeObjectThread("t1");
static ChangeObjectThread t2 = new ChangeObjectThread("t2");
public static class ChangeObjectThread extends Thread {
public ChangeObjectThread(String name) {
super(name);
}
@Override public void run() {
synchronized (u) {
System.out.println("in " + getName());
LockSupport.park();
if (Thread.currentThread().isInterrupted()) {
System.out.println("被中断了");
}
System.out.println("继续执行");
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
t1.start();
Thread.sleep(1000L);
t2.start();
Thread.sleep(3000L);
t1.interrupt();
LockSupport.unpark(t2);
t1.join();
t2.join();
}
}
运行的结果如下：
in t1
被中断了
继续执行
in t2
继续执行
这儿park和unpark其实实现了wait和notify的功能，不过还是有一些差别的。
park不需要获取某个对象的锁- 因为中断的时候
park不会抛出InterruptedException异常，所以需要在park之后自行判断中断状态，然后做额外的处理
我们再来看看Object blocker，这是个什么东西呢？这其实就是方便在线程dump的时候看到具体的阻塞对象的信息。
"t1" #10 prio=5 os_prio=31 tid=0x00007f95030cc800 nid=0x4e03 waiting on condition [0x00007000011c9000]
java.lang.Thread.State: WAITING (parking)
at sun.misc.Unsafe.park(Native Method)
at java.util.concurrent.locks.LockSupport.park(LockSupport.java:304)
// `下面的这个信息`
at com.wtuoblist.beyond.concurrent.demo.chapter3.LockSupportDemo$ChangeObjectThread.run(LockSupportDemo.java:23) //
- locked <0x0000000795830950> (a java.lang.Object)
相对于线程的stop和resume，park和unpark的先后顺序并不是那么严格。stop和resume如果顺序反了，会出现死锁现象。而park和unpark却不会。这又是为什么呢？还是看一个例子
public class LockSupportDemo {
public static Object u = new Object();
static ChangeObjectThread t1 = new ChangeObjectThread("t1");
public static class ChangeObjectThread extends Thread {
public ChangeObjectThread(String name) {
super(name);
}
@Override public void run() {
synchronized (u) {
System.out.println("in " + getName());
try {
Thread.sleep(1000L);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
LockSupport.park();
if (Thread.currentThread().isInterrupted()) {
System.out.println("被中断了");
}
System.out.println("继续执行");
}
}
}
public static void main(String[] args) {
t1.start();
LockSupport.unpark(t1);
System.out.println("unpark invoked");
}
}
t1内部有休眠1s的操作，所以unpark肯定先于park的调用，但是t1最终仍然可以完结。这是因为park和unpark会对每个线程维持一个许可（boolean值）
- unpark调用时，如果当前线程还未进入park，则许可为true
- park调用时，判断许可是否为true，如果是true，则继续往下执行；如果是false，则等待，直到许可为true
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