Java 锁 (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 owner = new AtomicReference();

   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。

 

排队自旋锁（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
            }
        }else { // 只有一个线程在使用锁，没有前驱来通知它，所以得自己标记自己为非阻塞
               currentThread. isBlock = false;
          }
    }

    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 volatile boolean isLocked = true; // 默认是在等待锁
    }

    @SuppressWarnings("unused" )
    private volatile CLHNode tail ;
    private static final AtomicReferenceFieldUpdater 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
        }
    }
}

NUMA与SMP

• SMP(Symmetric Multi-Processor)，即对称多处理器结构，指服务器中多个CPU对称工作，每个CPU访问内存地址所需时间相同。其主要特征是共享，包含对CPU，内存，I/O等进行共享。SMP的优点是能够保证内存一致性，缺点是这些共享的资源很可能成为性能瓶颈，随着CPU数量的增加，每个CPU都要访问相同的内存资源，可能导致内存访问冲突，可能会导致CPU资源的浪费。常用的PC机就属于这种。
• 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，访问本地内存的速度将远远高于访问远地内存(系统内其它节点的内存)的速度，这也是非一致存储访问NUMA的由来。NUMA优点是可以较好地解决原来SMP系统的扩展问题，缺点是由于访问远地内存的延时远远超过本地内存，因此当CPU数量增加时，系统性能无法线性增加。

 

CLH优缺点

CLH队列锁的长处是空间复杂度低（假设有n个线程。L个锁，每一个线程每次仅仅获取一个锁，那么须要的存储空间是O（L+n），n个线程有n个myNode。L个锁有L个tail），CLH的一种变体被应用在了JAVA并发框架中。唯一的缺点是在NUMA系统结构下性能非常差。在这样的系统结构下，每一个线程有自己的内存，假设前趋结点的内存位置比較远。自旋推断前趋结点的locked域，性能将大打折扣，可是在SMP系统结构下该法还是非常有效的。一种解决NUMA系统结构的思路是MCS队列锁。