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自旋锁、排队自旋锁、MCS锁、CLH锁

Vegetable
 Vegetable
发布于 2017/03/21 16:54
字数 1564
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原文地址:http://coderbee.net/index.php/concurrent/20131115/577/comment-page-1 要翻墙,故转载过来.

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,(便于记忆:超厉害锁)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。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReferenceFieldUpdater;

public class CLHLock {
    public static class CLHNode {
        private 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); // 转载人注释: 把this里的"tail" 值设置成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  (便于记忆:没常识锁)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。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReferenceFieldUpdater;

public class MCSLock {
    public static class MCSNode {
        MCSNode next;
        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。

ReentrantLock 默认内部使用的锁 即是 CLH锁

注意:这里实现的锁都是独占的,且不能重入(即锁中再锁)的。如想要实现可重入则需要引入一个计数器,count表示当前在第一层锁中。

public class SpinLock1 {
	private AtomicReference<Thread> owner =new AtomicReference<>();
	private int count =0;//计数器
	public void lock(){
		Thread current = Thread.currentThread();
		if(current==owner.get()) {//若当前线程已经持有锁,则仅需count加1,表示进入第二层锁,并直接return
			count++;
			return ;
		}

		while(!owner.compareAndSet(null, current)){//第一层锁

		}
	}
	public void unlock (){
		Thread current = Thread.currentThread();
		if(current==owner.get()){
			if(count!=0){//不是最外一层解锁则仅需count--,表示出一层锁
				count--;
			}else{
				owner.compareAndSet(current, null);//最外层
			}

		}

	}
}

 

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