Java自旋鎖的分類

自旋鎖

自旋鎖(spin lock)是一個典型的對臨界資源的互斥手段，自旋鎖是基于CAS原語的，所以它是輕量級的同步操作，它的名稱來源于它的特性。自旋鎖是指當一個線程嘗試獲取某個鎖時，如果該鎖已被其他線程占用，就一直循環檢測鎖是否被釋放，而不是進入線程掛起或睡眠狀態。由于自旋鎖只不進行線程狀態的改變（掛起線程），所以當線程競爭不激烈時，它的響應速度極快（因為避免了線程調度的上下文切換）。自旋鎖適用于鎖保護的臨界區很小的情況，線程競爭不激烈的場景下。如果線程之間競爭激烈或者臨界區的操作特別耗時，那么線程的自旋操作就會耗費大量的cpu資源，所以這種情況下性能就會下降明顯。

現代計算機CPU的處理結構

由于自旋鎖受不同的硬件處理器和架構的影響，我們來簡單了解一下相關的知識，重點關注SMP和NUMA。

（1）多線程

（2）多核心

（3）SMP SMP（Symmetric Multi-Processing），對稱多處理結構的簡稱，是指在一個計算機上匯集了一組處理器（多CPU），各CPU之間共享內存子系統以及總線結構。在這種技術的支持下，一個服務器系統可以同時運行多個處理器，并共享內存和其他的主機資源。像雙至強，也就是所說的二路，這是在對稱處理器系統中最常見的一種（至強MP可以支持到四路，AMD Opteron可以支持1-8路）。也有少數是16路的。但是一般來講，SMP結構的機器可擴展性較差，很難做到100個以上多處理器，常規的一般是8個到16個，不過這對于多數的用戶來說已經夠用了。在高性能服務器和工作站級主板架構中最為常見，像UNIX服務器可支持最多256個CPU的系統。

（4）NUMA

NUMA即非一致訪問分布共享存儲技術，它是由若干通過高速專用網絡連接起來的獨立節點構成的系統，各個節點可以是單個的CPU或是SMP系統。在NUMA中，Cache 的一致性有多種解決方案，一般采用硬件技術實現對cache的一致性維護，通常需要操作系統針對NUMA訪存不一致的特性（本地內存和遠端內存訪存延遲和帶寬的不同）進行特殊優化以提高效率，或采用特殊軟件編程方法提高效率。NUMA系統的例子。這里有3個SMP模塊用高速專用網絡聯起來，組成一個節點，每個節點可以有12個CPU。像Sequent的系統最多可以達到64個CPU甚至256個CPU。顯然，這是在SMP的基礎上，再用NUMA的技術加以擴展，是這兩種技術的結合。

（4）亂序執行

（4）分枝技術

（4）控制器

自旋鎖的分類及特點

關于自旋鎖的種類大體上有四種：

（1）簡單自旋鎖（非公平）

不能保證公平性

（2）基于票據的自旋鎖（公平）

雖然解決了公平性的問題，但是多處理器系統上，每個進程/線程占用的處理器都在讀寫同一個變量serviceNum ，每次讀寫操作都必須在多個處理器緩存之間進行緩存同步，這會導致繁重的系統總線和內存的流量，大大降低系統整體的性能

（3）CLH自旋鎖（公平）

作者：CLH：Craig，Landin and Hagersten。鎖的名稱都來源于發明人的名字首字母

CLH自旋鎖是一種基于隱式鏈表（節點里面沒有next指針）的可擴展、高性能、公平的自旋鎖，申請線程只在本地變量上自旋，它不斷輪詢前驅的狀態，如果發現前驅釋放了鎖就結束自旋。CLH隊列鎖的優點是空間復雜度低（如果有n個線程，L個鎖，每個線程每次只獲取一個鎖，那么需要的存儲空間是O（L+n），n個線程有n個。myNode，L個鎖有L個tail），CLH的一種變體被應用在了JAVA并發框架中。 CLH在SMP系統結構下該法是非常有效的。但在NUMA系統結構下，每個線程有自己的內存，如果前趨結點的內存位置比較遠，自旋判斷前趨結點的locked域，性能將大打折扣

（4）MCS自旋鎖（公平）

作者：MCS：John Mellor-Crummey and Michael Scott。鎖的名稱都來源于發明人的名字首字母

MCS Spinlock是一種基于顯式鏈表（節點里面擁有next指針）的可擴展、高性能、公平的自旋鎖，申請線程只在本地變量上自旋，由直接前驅負責通知其結束自旋（與CLH自旋鎖不同的地方，不在輪詢前驅的狀態，而是由前驅主動通知），從而極大地減少了不必要的處理器緩存同步的次數，降低了總線和內存的開銷。而MCS是在自己的結點的locked域上自旋等待。正因為如此，它解決了CLH在NUMA系統架構中獲取locked域狀態內存過遠的問題。

實現CLH和MCS自旋鎖

關于簡單的自旋鎖和基于票號的自旋鎖前面的文章已經介紹過，這里不再重復介紹。

首先看CLH自旋鎖的實現方式：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

/**

Created by qindongliang on 2018/8/5.
*/
public class CLHLock {

class Node{
//false代表沒人占用鎖
volatile boolean locked=false;
}

//指向最后加入的線程
final AtomicReference<Node> tail=new AtomicReference<>(new Node());

//使用ThreadLocal保證每個線程副本內都有一個Node對象
final ThreadLocal<Node> current;

public CLHLock(){
//初始化當前節點的node
current=new ThreadLocal<Node>(){
@Override
protected Node initialValue() {
return new Node();
}
};

}

public void lock() throws InterruptedException {

//得到當前線程的Node節點
Node own=current.get();
 //修改為true，代表當前線程需要獲取鎖
 own.locked=true;

 //設置當前線程去注冊鎖，注意在多線程下環境下，這個
 //方法仍然能保持原子性，，并返回上一次的加鎖節點（前驅節點）
 Node preNode=tail.getAndSet(own);

 //在前驅節點上自旋
 while(preNode.locked){
     System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 開始自旋....  ");
     Thread.sleep(2000);
 }

}

public void unlock(){

 //當前線程如果釋放鎖，只要將占用狀態改為false即可
 //因為其他的線程會輪詢自己，所以volatile布爾變量改變之后
 //會保證下一個線程能立即看到變化，從而得到鎖
 current.get().locked=false;

}

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

 CLHLock lock=new CLHLock();

 Runnable runnable=new Runnable() {
     @Override
     public void run() {
         try {
             lock.lock();
             System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"  獲得鎖 ");
             //前驅釋放，do own work
             Thread.sleep(5000);
             System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"  釋放鎖 ");
             lock.unlock();
         } catch (InterruptedException e) {
             e.printStackTrace();
         }
     }
 };

 Thread t1=new Thread(runnable,"線程1");
 Thread t2=new Thread(runnable,"線程2");
 Thread t3=new Thread(runnable,"線程3");

 t1.start();
 t2.start();
 t3.start();

}

}</pre>

在三個線程下面的輸出結果：

MCS鎖的實現方式：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

/**

Created by qindongliang on 2018/8/5.
*/
public class MCSLock {

class Node{
volatile Node next;//后繼節點
//默認false
volatile boolean locked;
}

//指向最后加入的線程
final AtomicReference<MCSLock.Node> tail=new AtomicReference<>(null);

ThreadLocal<Node> current;

public MCSLock(){
//初始化當前節點的node
current=new ThreadLocal<MCSLock.Node>(){
@Override
protected MCSLock.Node initialValue() {
return new MCSLock.Node();
}
};
}

public void lock() throws InterruptedException {

 //獲取當前線程的Node
 Node own=current.get();

 //獲取前驅節點
 Node preNode=tail.getAndSet(own);

 //如果前驅節點不為null，說明有線程已經占用
 if(preNode!=null){
     //設置當前節點為需要占用狀態；
     own.locked=true;
     //把前面節點的next指向自己
     preNode.next=own;

     //在自己的節點上自旋等待前驅通知
     while(own.locked){

         System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 開始自旋....  ");
         Thread.sleep(2000);

     }

 }

 System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 獲得了鎖....  ");

}

public void unlock(){
//獲取自己的節點
Node own=current.get();
//
if(own.next==null){
//判斷是不是自身是不是最后一個線程
if(tail.compareAndSet(own,null)){
//是的話就結束
return;
}

     //在判斷過程中，又有線程進來
     while (own.next==null){

     }

 }
 //本身解鎖，通知它的后繼節點可以工作了，不用再自旋了
 own.next.locked=false;
 own.next=null;// for gc

}

public static void main(String[] args) {

 MCSLock lock=new MCSLock();

 Runnable runnable=new Runnable() {
     @Override
     public void run() {
         try {
             lock.lock();
             System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"  獲得鎖 ");
             //前驅釋放，do own work
             Thread.sleep(4000);
             System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"  釋放鎖 ");
             lock.unlock();
         } catch (InterruptedException e) {
             e.printStackTrace();
         }

     }
 };

 Thread t1=new Thread(runnable,"線程1");
 Thread t2=new Thread(runnable,"線程2");
 Thread t3=new Thread(runnable,"線程3");

 t1.start();
 t2.start();
 t3.start();

}

}</pre>

輸出結果：

詳細介紹，在代碼的注釋里面寫的很清楚了，這里再給一張圖來幫助我們我們理解基于鏈表實現公平方式的過程：

image

CLH 對比 MCS

（1）從代碼實現來看，CLH比MCS要簡單得多。

（2）從自旋的條件來看，CLH是在前驅節點的屬性上自旋，而MCS是在本地屬性變量上自旋。

（3）從鏈表隊列來看，CLH的隊列是隱式的，CLHNode并不實際持有下一個節點；MCS的隊列是物理存在的。

（4）CLH鎖釋放時只需要改變自己的屬性，MCS鎖釋放則需要改變后繼節點的屬性。

（5）CLH適合CPU個數不多的計算機硬件架構上，MCS則適合擁有很多CPU的硬件架構上

（6）CLH和MCS實現的自旋鎖都是不可重入的

總結

本文主要介紹了目前主流的4種自旋鎖的特點和實現，此外眾所周知，AbstractQueuedSynchronizer是Java并發包的基石之一，而CLH鎖的原理和思想則是AbstractQueuedSynchronizer的基石之一，JDK里面的CLH鎖的是增強改進后的CLH鎖。理解清楚CLH鎖的原理和實現對后面學習和理解AbstractQueuedSynchronizer是非常重要的。最后文中所有的代碼已經上傳我的github上，感興趣的朋友可以研究學習。

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