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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:

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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

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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。

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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。

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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:
这里写图片描述
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。

    注意:这里实现的锁都是独占的,且不能重入的。