【Java并发编程实战】—–MCS队列锁

与CLH类似，MCS也是由QNode对象构成的链表，每个QNode表示一个锁持有者，表示一个线程要么已经获取锁，要么正在等待锁。它与CLH不同的是，队列是一个显示链表，是通过next指针串起来的。

实现

MCS队列锁的具体实现如下：

1、如图（a）所示，队列初始化时没有结点，tail=null；

2、如图（b）所示，线程A想要获取锁，于是将自己置于队尾，由于它是第一个结点，它的locked域为false;；

3、如果（c）所示，线程B和C相继加入队列，前面说了这个队列是由next指针串起来的，所以a->next=b,b->next=c。且B和C现在没有获取锁，处于等待状态，所以它们的locked域为true，尾指针指向线程C对应的结点；

4、如果（d）所示，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。

从上面的实现可以看出，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MSC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。

下面看看MCS队列锁的JAVA实现：

public class MCSLock implements Lock {
    AtomicReference<QNode> tail;
    ThreadLocal<QNode> myNode;

    @Override
    public void lock() {
        QNode qnode = myNode.get();
        QNode pred = tail.getAndSet(qnode);
        if (pred != null) {
            qnode.locked = true;
            pred.next = qnode;

            // wait until predecessor gives up the lock
            while (qnode.locked) {
            }
        }
    }

    @Override
    public void unlock() {
        QNode qnode = myNode.get();
        if (qnode.next == null) {
            if (tail.compareAndSet(qnode, null))
                return;

            // wait until predecessor fills in its next field
            while (qnode.next == null) {
            }
        }
        qnode.next.locked = false;
        qnode.next = null;
    }

    class QNode {
        boolean locked = false;
        QNode next = null;
    }
}

lock方法：

若要获得锁，线程会把自己的结点放到队列的尾部，如果队列中开始有结点，就将前一个结点的next结点指向当前结点；

然后就在自己的locked域上自旋等待，直到它的前趋结点把自己的locked设置为false为止。

unlock方法：

若要释放锁，先检查自己的next域是否为null，如果为null，要么当前结点是尾结点，要么还有其他线程正在争用锁。不管是哪种情况都可以采用compareAndSet(q,null)来判断,其中q为当前结点,如果调用成功，则没有其他线程在争用锁，于是将tail设置为null返回；如果调用失败，说明另一个比较慢的线程正在试图获得锁，于是自旋等待它结束。在以上任一种情况，一旦出现有后继结点就将后续结点的locked域设置为false，然后返回。

疑点

对于unlock方法，有人会问既然qnode.next==null,说明qnode是尾结点，那么compareAndSet(q,null)为什么会失败呢？

如下图（a）所示，开始只有线程A在获取锁，A确实是队尾元素，tail指针也指向了它，多线程环境下，一切皆有可能，就在准备进行compareAndSet(q,null)操作时，突然以迅雷不及掩耳之势闯入两个线程B和C，如图（b）所示，这时如果再进行compareAndSet(q,null)操作就会失败。不过在这种情况下，while(qnode.next==null)会跳出循环，紧接着执行下面的两句代码：

qnode.next.locked = false;
qnode.next = null;

可见，释放锁操作在有线程闯入时也是能够正常工作的。

优缺点：

优点是适用于NUMA系统架构，缺点是释放锁也需要自旋等待，且比CLH读、写、CAS等操作调用次数多。

参考资料：

A simple correctness proof of the MCS contention-free lock

Algorithms for Scalable Synchronization on Shared-Memory Multiprocessors

高性能自旋锁 MCS Spinlock 的设计与实现

The Art of Multiprocessor Programming