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

  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

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<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:
CLH-MCS-SpinLock

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。


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自旋锁、排队自旋锁、MCS锁、CLH锁》上有38个想法

  1. MCS锁
    public static class MCSNode {
    MCSNode next;
    boolean isLocked = true; // 默认是在等待锁
    }
    是不是要改成
    public final static class MCSNode {
    final MCSNode next;
    volatile boolean isLocked = true; // 默认是在等待锁
    }

    • 是的,用volatile才能保证内存可见性。但next字段不能用final修饰,这是个可变的属性,也应该用volatile修饰。

  2. 从自旋的条件来看,CLH是在本地变量上自旋,MCS是自旋在其他对象的属性。 这个是不是写反了?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. MCS和CLH的Node中的isLocked的定义,为了对它的写被另一个线程看到,感觉上应该要定义成volatile会更合适一些?

  4. 貌似应该改成这样吧
    //owner 为null的时候结束轮询
    while (!owner.compareAndSet(null, currentThread)) {
    }

  5. MCS锁里的
    if ( UPDATER.get( this ) == currentThread) {// 锁拥有者进行释放锁才有意义
    是不是有点问题

  6. MCSLock锁
    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 }
    }
    }
    }
    当第一个node请求lock()时,可以获得锁,但是isBlock未被设置为false,仍为初始值true,当其释放锁时,将会导致释放失败
    public void unlock(MCSNode currentThread) {
    if(currentThread.isBlock) {
    return ;
    }

    我觉得应该在lock()加入些代码,加入后如下代码:

    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 {
    currentThread.isBlock = false;
    }
    }

    • 已验证,加入前,无法正常更新queue为null,加入后,可以正常更新
      public static void main(String args[]) {
      MCSLock lock = new MCSLock();
      MCSNode node = new MCSNode();
      lock.lock(node);
      lock.unlock(node);
      }

      • 你是对的,因为MCS锁是由前驱来通知后继解锁,当第一个 node 获得锁时,由于没有前驱来通知它,所以得自己标记自己为非阻塞。

  7. 感谢好文。
    传统的“Spin lock” 和 “Ticket Lock”都在同一个共享变量上竞争(例如Spin Lock中的owner、Ticket Lock中的serviceNum),如文中所说这种情况下,给CPU缓存一致性(cache coherence)带来的压力比较大。
    个人理解MCS和CLH最大的优化点在于把上述同一个点上的竞争分散到队列的每个节点中去了。

    • 这个理解很正确,分散竞争在解决并发问题时是很重要的一种思路。

  8. // 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
    }
    这个地方是不是要成!=null啊 一直理解不了,等于null后面还怎么执行
    currentThread.next.isBlock = false;
    还望楼主给条明路

    • 对应的是 lock 方法里,步骤1执行完了,步骤2还没执行。这个循环是在等待步骤2执行完成,也就是其他线程来通知的意思。

  9. CLH锁unLock,为什么还需要把尾结点置空啊,而且需要当前结点就是尾结点,真是不能理解啊-。- 望不吝赐教

    • 如注释 “// 如果队列里只有当前线程,则释放对当前线程的引用(for GC)。” 这个是为了GC回收的。

  10. public class CLHLock {
    public static class CLHNode {
    private boolean isLocked = true; // 默认是在等待锁
    }

    这边的 isLocked 是不是少了volatile
    —leader us

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