Java原理探索：AQS的技术体系之CLH、MCS锁的原理及实现

小鱼儿 2023-09-28 06:39 119阅读 0赞

## 背景 ##

## SMP(Symmetric Multi-Processor) ##

> **对称多处理器结构，它是相对非对称多处理技术而言的、应用十分广泛的并行技术**。

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*  **在这种架构中，一台计算机由多个CPU组成，并共享内存和其他资源，所有的CPU都可以平等地访问内存、I/O和外部中断。**
 *  **虽然同时使用多个CPU，但是从管理的角度来看，它们的表现就像一台单机一样。**
 *  **操作系统将任务队列对称地分布于多个CPU之上，从而极大地提高了整个系统的数据处理能力。**
 *  **但是随着CPU数量的增加，每个CPU都要访问相同的内存资源，共享资源可能会成为系统瓶颈，导致CPU资源浪费**。

## NUMA(Non-Uniform Memory Access) ##

> **非一致存储访问，将CPU分为CPU模块，每个CPU模块由多个CPU组成，并且具有独立的本地内存、I/O槽口等，模块之间可以通过互联模块相互访问**。

![14088f2c766b0cb7f500e210bedd1943.png][]

*  访问本地内存（本CPU模块的内存）的速度将远远高于访问远程内存(其他CPU模块的内存)的速度，这也是非一致存储访问的由来。
 *  NUMA较好地解决SMP的扩展问题，当CPU数量增加时，因为访问远地内存的延时远远超过本地内存，系统性能无法线性增加。

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## CLH锁 ##

> **CLH是一种基于单向链表的高性能、公平的自旋锁。申请加锁的线程通过前驱节点的变量进行自旋。在前置节点解锁后，当前节点会结束自旋，并进行加锁。**

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*  在SMP架构下，CLH更具有优势。
 *  在NUMA架构下，如果当前节点与前驱节点不在同一CPU模块下，跨CPU模块会带来额外的系统开销，而MCS锁更适用于NUMA架构。

## 加锁逻辑 ##

1.  **获取当前线程的锁节点，如果为空，则进行初始化；**
2.  **同步方法获取链表的尾节点，并将当前节点置为尾节点，此时原来的尾节点为当前节点的前置节点。**
3.  **如果尾节点为空，表示当前节点是第一个节点，直接加锁成功。**
4.  **如果尾节点不为空，则基于前置节点的锁值（locked==true）进行自旋，直到前置节点的锁值变为false。**

## 解锁逻辑 ##

1.  **获取当前线程对应的锁节点，如果节点为空或者锁值为false，则无需解锁，直接返回；**
2.  **同步方法为尾节点赋空值，赋值不成功表示当前节点不是尾节点，则需要将当前节点的locked=false解锁节点。如果当前节点是尾节点，则无需为该节点设置。**

public class CLHLock {
        private final AtomicReference<Node> tail;
        private final ThreadLocal<Node> myNode;
        private final ThreadLocal<Node> myPred;
     
        public CLHLock() {
            tail = new AtomicReference<>(new Node());
            myNode = ThreadLocal.withInitial(() -> new Node());
            myPred = ThreadLocal.withInitial(() -> null);
        }
     
        public void lock(){
            Node node = myNode.get();
            node.locked = true;
            Node pred = tail.getAndSet(node);
            myPred.set(pred);
            while (pred.locked){}
        }
     
        public void unLock(){
            Node node = myNode.get();
            node.locked=false;
            myNode.set(myPred.get());
        }
     
     
        static class Node {
            volatile boolean locked = false;
        }
     
    }
    
    复制代码

## MCS锁 ##

> MSC与CLH最大的不同并不是链表是显示还是隐式，而是线程自旋的规则不同:CLH是在前 趋结点的locked域上自旋等待，而MCS是在自己的结点的locked域上自旋等待。正因为如此，它解决了CLH在NUMA系统架构中获取locked域状态内存过远的问题。

## MCS锁具体实现规则： ##

*  a. 队列初始化时没有结点，tail=null
 *  b. 线程A想要获取锁，将自己置于队尾，由于它是第一个结点，它的locked域为false
 *  c. 线程B和C相继加入队列，a->next=b,b->next=c，B和C没有获取锁，处于等待状态，所以locked域为true，尾指针指向线程C对应的结点
 *  d. 线程A释放锁后，顺着它的next指针找到了线程B，并把B的locked域设置为false，这一动作会触发线程B获取锁。

public class MCSLock {
     
        private final AtomicReference<Node> tail;
     
        private final ThreadLocal<Node> myNode;
     
        public MCSLock() {
            tail = new AtomicReference<>();
            myNode = ThreadLocal.withInitial(() -> new Node());
        }
     
        public void lock() {
     
            Node node = myNode.get();
            Node pred = tail.getAndSet(node);
            if (pred != null) {
                node.locked = true;
                pred.next = node;
                while (node.locked) {
                }
            }
     
        }
     
        public void unLock() {
            Node node = myNode.get();
            if (node.next == null) {
                if (tail.compareAndSet(node, null)) {
                    return;
                }
     
                while (node.next == null) {
                }
            }
            node.next.locked = false;
            node.next = null;
        }
     
        class Node {
            volatile boolean locked = false;
            Node next = null;
        }
     
        public static void main(String[] args) {
     
            MCSLock lock = new MCSLock();
     
            Runnable task = new Runnable() {
                private int a;
     
                @Override
                public void run() {
                    lock.lock();
                    for (int i = 0; i < 10; i++) {
                        a++;
                        try {
                            Thread.sleep(100);
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                    System.out.println(a);
                    lock.unLock();
                }
            };
     
            new Thread(task).start();
            new Thread(task).start();
            new Thread(task).start();
            new Thread(task).start();
        }
    }

![e36c7de2581e47f4a4e2e0c5f04125a5.jpeg][]

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