自旋锁、排队自旋锁、MCS锁、CLH锁

以你之姓@ 2022-08-07 10:53 349阅读 0赞

原文地址： [自旋锁、排队自旋锁、MCS锁、CLH锁][MCS_CLH]

转载时注：文中的代码忽略了lock和unlock不成对出现的异常情况以及递归重入的情况。另外JUC AQS(AbstractQueuedSynchronizer)内部使用的锁即是CLH锁的变种（有很多改进的地方，如将自旋锁换成了阻塞锁等等）。

# 自旋锁（Spin lock） #

自旋锁是指当一个线程尝试获取某个锁时，如果该锁已被其他线程占用，就一直循环检测锁是否被释放，而不是进入线程挂起或睡眠状态。

自旋锁适用于锁保护的临界区很小的情况，临界区很小的话，锁占用的时间就很短。

#### 简单的实现 ####

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
    
    public class SpinLock {
       private AtomicReference<Thread> owner = new AtomicReference<Thread>();
    
       public void lock() {
           Thread currentThread = Thread.currentThread();
    
                  // 如果锁未被占用，则设置当前线程为锁的拥有者
           while (owner.compareAndSet(null, currentThread)) {
           }
       }
    
       public void unlock() {
           Thread currentThread = Thread.currentThread();
    
                  // 只有锁的拥有者才能释放锁
           owner.compareAndSet(currentThread, null);
       }
    }

SimpleSpinLock里有一个owner属性持有锁当前拥有者的线程的引用，如果该引用为null，则表示锁未被占用，不为null则被占用。

这里用AtomicReference是为了使用它的原子性的compareAndSet方法（CAS操作），解决了多线程并发操作导致数据不一致的问题，确保其他线程可以看到锁的真实状态。

#### 缺点 ####

1.  CAS操作需要硬件的配合；
2.  保证各个CPU的缓存（L1、L2、L3、跨CPU Socket、主存）的数据一致性，通讯开销很大，在多处理器系统上更严重；
3.  没法保证公平性，不保证等待进程/线程按照FIFO顺序获得锁。

# Ticket Lock #

Ticket Lock 是为了解决上面的公平性问题，类似于现实中银行柜台的排队叫号：锁拥有一个服务号，表示正在服务的线程，还有一个排队号；每个线程尝试获取锁之前先拿一个排队号，然后不断轮询锁的当前服务号是否是自己的排队号，如果是，则表示自己拥有了锁，不是则继续轮询。

当线程释放锁时，将服务号加1，这样下一个线程看到这个变化，就退出自旋。

#### 简单的实现 ####

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
    
    public class TicketLock {
       private AtomicInteger serviceNum = new AtomicInteger(); // 服务号
       private AtomicInteger ticketNum = new AtomicInteger(); // 排队号
    
       public int lock() {
             // 首先原子性地获得一个排队号
             int myTicketNum = ticketNum.getAndIncrement();
    
                  // 只要当前服务号不是自己的就不断轮询
           while (serviceNum.get() != myTicketNum) {
           }
    
           return myTicketNum;
        }
    
        public void unlock(int myTicket) {
            // 只有当前线程拥有者才能释放锁
            int next = myTicket + 1;
            serviceNum.compareAndSet(myTicket, next);
        }
    }

#### 缺点 ####

Ticket Lock 虽然解决了公平性的问题，但是多处理器系统上，每个进程/线程占用的处理器都在读写同一个变量serviceNum ，每次读写操作都必须在多个处理器缓存之间进行缓存同步，这会导致繁重的系统总线和内存的流量，大大降低系统整体的性能。

下面介绍的CLH锁和MCS锁都是为了解决这个问题的。

MCS 来自于其发明人名字的首字母： John Mellor-Crummey和Michael Scott。

CLH的发明人是：Craig，Landin and Hagersten。

# CLH锁 #

CLH锁也是一种基于链表的可扩展、高性能、公平的自旋锁，申请线程只在本地变量上自旋，它不断轮询前驱的状态，如果发现前驱释放了锁就结束自旋。

转载时注：文中CLH、MCS锁的代码可以通过引入ThreadLocal类来去掉lock/unlock方法的参数。代码中AtomicReferenceFieldUpdater的功能也可以用AtomicReference代替。另外CLHLock中的isLocked属性被修正为了volatile的。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReferenceFieldUpdater;
    
    public class CLHLock {
        public static class CLHNode {
            volatile boolean isLocked = true; // 默认是在等待锁
        }
    
        @SuppressWarnings("unused" )
        private volatile CLHNode tail ;
        private static final AtomicReferenceFieldUpdater<CLHLock, CLHNode> UPDATER = AtomicReferenceFieldUpdater
                      . newUpdater(CLHLock.class, CLHNode .class , "tail" );
    
        public void lock(CLHNode currentThreadCLHNode) {
            CLHNode preNode = UPDATER.getAndSet( this, currentThreadCLHNode);
            if(preNode != null) {//已有线程占用了锁，进入自旋
                while(preNode.isLocked ) {
                }
            }
        }
    
        public void unlock(CLHNode currentThreadCLHNode) {
            // 如果队列里只有当前线程，则释放对当前线程的引用（for GC）。
            if (!UPDATER .compareAndSet(this, currentThreadCLHNode, null)) {
                // 还有后续线程
                currentThreadCLHNode. isLocked = false ;// 改变状态，让后续线程结束自旋
            }
        }
    }

# MCS锁 #

MCS Spinlock 是一种基于链表的可扩展、高性能、公平的自旋锁，申请线程只在本地变量上自旋，直接前驱负责通知其结束自旋，从而极大地减少了不必要的处理器缓存同步的次数，降低了总线和内存的开销。

转载时注：MCSNode中的next和isLocked属性被修正为了volatile的。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReferenceFieldUpdater;
    
    public class MCSLock {
        public static class MCSNode {
            volatile MCSNode next;
            volatile boolean isLocked = true; // 默认是在等待锁
        }
    
        volatile MCSNode queue ;// 指向最后一个申请锁的MCSNode
        private static final AtomicReferenceFieldUpdater<MCSLock, MCSNode> UPDATER = AtomicReferenceFieldUpdater
                      . newUpdater(MCSLock.class, MCSNode. class, "queue" );
    
        public void lock(MCSNode currentThreadMcsNode) {
            MCSNode predecessor = UPDATER.getAndSet(this, currentThreadMcsNode);// step 1
            if (predecessor != null) {
                predecessor.next = currentThreadMcsNode;// step 2
    
                while (currentThreadMcsNode.isLocked ) {// step 3
                }
            }
        }
    
        public void unlock(MCSNode currentThreadMcsNode) {
            if ( UPDATER.get( this ) == currentThreadMcsNode) {// 锁拥有者进行释放锁才有意义
                if (currentThread.next == null) {// 检查是否有人排在自己后面
                    if (UPDATER.compareAndSet(this, currentThreadMcsNode, null)) {// step 4
                        // compareAndSet返回true表示确实没有人排在自己后面
                        return;
                    } else {
                        // 突然有人排在自己后面了，可能还不知道是谁，下面是等待后续者
                        // 这里之所以要忙等是因为：step 1执行完后，step 2可能还没执行完
                        while (currentThreadMcsNode.next == null) { // step 5
                        }
                    }
                }
    
                currentThreadMcsNode.next.isLocked = false;
                currentThreadMcsNode.next = null;// for GC
            }
        }
    }

# CLH锁 与 MCS锁 的比较 #

下图是CLH锁和MCS锁队列图示：  
![CLH-MCS-SpinLock][]

差异：

1.  从代码实现来看，CLH比MCS要简单得多。
2.  从自旋的条件来看，CLH是在前驱节点的属性上自旋，而MCS是在本地属性变量上自旋
3.  从链表队列来看，CLH的队列是隐式的，CLHNode并不实际持有下一个节点；MCS的队列是物理存在的。
4.  CLH锁释放时只需要改变自己的属性，MCS锁释放则需要改变后继节点的属性。

注意：这里实现的锁都是独占的，且不能重入的。

[MCS_CLH]: http://coderbee.net/index.php/concurrent/20131115/577/comment-page-1
[CLH-MCS-SpinLock]: /images/20220805/e0722a729ef84bb392a69c20f39b8eed.png