Java自旋锁、排队自旋锁、MCS锁、CLH锁

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

  • CAS操作需要硬件的配合;
  • 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;
  • 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。

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。

    import java.util.concurrent.atomic.AtomicReferenceFieldUpdater;

    public class MCSLock {
        public static class MCSNode {
            volatile MCSNode next;
            volatile boolean isBlock = 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 UPDATER = AtomicReferenceFieldUpdater
                .newUpdater(MCSLock.class, MCSNode.class, "queue");

        public void lock(MCSNode currentThread) {
            MCSNode predecessor = UPDATER.getAndSet(this, currentThread);// step 1
            if (predecessor != null) {
                predecessor.next = currentThread;// step 2

                while (currentThread.isBlock) {// step 3
                }
            }
        }

        public void unlock(MCSNode currentThread) {
            if (currentThread.isBlock) {// 锁拥有者进行释放锁才有意义
                return;
            }

            if (currentThread.next == null) {// 检查是否有人排在自己后面
                if (UPDATER.compareAndSet(this, currentThread, 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 (currentThread.next == null) { // step 5
                    }
                }
            }

            currentThread.next.isBlock = false;
            currentThread.next = null;// for GC
        }
    }

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。

    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 currentThread) {
            CLHNode preNode = UPDATER.getAndSet( this, currentThread);
            if(preNode != null) {//已有线程占用了锁,进入自旋
                while(preNode.isLocked ) {
                }
            }
        }

        public void unlock(CLHNode currentThread) {
            // 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, currentThread, null)) {
                // 还有后续线程
                currentThread. isLocked = false ;// 改变状态,让后续线程结束自旋
            }
        }
    }

CLH锁 与 MCS锁 的比较

下图是CLH锁和MCS锁队列图示:

差异:

  • 从代码实现来看,CLH比MCS要简单得多。
  • 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。
  • 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。
  • 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。