自旋锁（Ticket,CLH,MCS）

目录

目录

自旋锁Spin lock
代码简单实现

Ticket Spinlock
代码简单实现

CLH锁CLH Spinlock
代码简单实现

CLH分析

MCS锁MCS Spinlock
代码简单实现

自旋锁(Spin lock)

自旋锁(spin lock)是一个典型的对临界资源的互斥手段，它的名称来源于它的特性。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。由于自旋锁只不进行线程状态的改变，所以当线程竞争不激烈时，它的响应速度极快。自旋锁适用于锁保护的临界区很小的情况，如果线程之间竞争激烈，上下文切换将耗费大量资源，性能会明显下降。

代码简单实现

package aqs;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

public class SpinLock {
//使用原子类来标识线程是否获取到了锁
private AtomicReference<Thread> lockOwner = 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 (!lockOwner.compareAndSet(null, currentThread)) {
}
}

public void unlock() {
Thread currentThread = Thread.currentThread();

// 只有锁的拥有者才能释放锁
lockOwner.compareAndSet(currentThread, null);
}
}

这是一个简单的自旋锁代码，compareAndSet保证了我们操作的原则性，可以将c它看做是对锁的获取，只有获取到锁才能继续进行以后的操作，否则将会一直循环检测锁是否被释放，不会阻塞当前线程。

这种自旋锁在多线程同时竞争锁时，并不能保证其公平性。而公平自选锁的三种常见形式就是Ticket CLH 和MCS。

Ticket Spinlock

Ticket就类似于现实中的排队叫号，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。

代码简单实现

public class TicketSpinLock {

// 排队号
private AtomicInteger ticketNum = new AtomicInteger(0);

// 服务号
private AtomicInteger owner = new AtomicInteger(0);

// 当前线程持有的票据
private static final ThreadLocal<Integer> myTicketLocal = new ThreadLocal<Integer>();

public void lock() {
int myTicket = ticketNum.getAndIncrement();// 票据
myTicketLocal.set(myTicket);
while (myTicket != owner.get()) {

}
}

public void unlock() {
int myTicket = myTicketLocal.get();
owner.compareAndSet(myTicket, myTicket + 1);
}

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
TicketSpinLock lock = new TicketSpinLock();
Service service = new Service(new TicketSpinLock());
for (int i = 0; i < 100; i++) {
new Thread(new ServiceThread(service), i + "").start();
}
TimeUnit.SECONDS.sleep(20);
}

public static class ServiceThread extends Thread {

private Service service;

public ServiceThread(Service service) {
this.service = service;
}

@Override
public void run() {
service.doService2();
//          service.doService();
}
}

// dosomething
public static class Service {
private int i;

private TicketSpinLock ticketLock;

public Service() {
}

public Service(TicketSpinLock ticketLock) {
this.ticketLock = ticketLock;
}

// 加锁
public void doService() {
ticketLock.lock();
i = i + 1;
System.out.println(String.format("i=%s", i));
ticketLock.unlock();
}

// 不加锁
public void doService2() {
i = i + 1;
System.out.println(String.format("i=%s", i));
}

}
}

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，它们不再在一个全局变量上自旋，而是在自身本地变量上自旋。

CLH锁(CLH Spinlock)

CLH锁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。

当一个线程需要获取锁时：

a.创建一个的QNode，将其中的locked设置为true表示需要获取锁

b.线程对tail域调用getAndSet方法，使自己成为队列的尾部，同时获取一个指向其前趋结点的引用myPred

c.该线程就在前趋结点的locked字段上旋转，直到前趋结点释放锁

d.当一个线程需要释放锁时，将当前结点的locked域设置为false，同时回收前趋结点

　　如下图，线程A需要获取锁，其myNode域为true，tail指向线程A的结点，然后线程B也加入到线程A后面，tail指向线程B的结点。然后线程A和B都在其myPred域上旋转，一旦它的myPred结点的locked字段变为false，它就可以获取锁。明显线程A的myPred locked域为false，此时线程A获取到了锁。

　　

bd03

代码简单实现

public class CLHLock implements Lock {
AtomicReference<QNode> tail = new AtomicReference<QNode>(new QNode());
ThreadLocal<QNode> myPred;
ThreadLocal<QNode> myNode;

public CLHLock() {
tail = new AtomicReference<QNode>(new QNode());
myNode = new ThreadLocal<QNode>() {
protected QNode initialValue() {
return new QNode();
}
};
myPred = new ThreadLocal<QNode>() {
protected QNode initialValue() {
return null;
}
};
}

@Override
public void lock() {
QNode qnode = myNode.get();
qnode.locked = true;
QNode pred = tail.getAndSet(qnode);
myPred.set(pred);
while (pred.locked) {
}
}

@Override
public void unlock() {
QNode qnode = myNode.get();
qnode.locked = false;
myNode.set(myPred.get());
}
}

CLH分析

CLH队列锁的优点是空间复杂度低（如果有n个线程，L个锁，每个线程每次只获取一个锁，那么需要的存储空间是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。

CLH在SMP系统结构下该法是非常有效的。但在NUMA系统结构下，每个线程有自己的内存，如果前趋结点的内存位置比较远，自旋判断前趋结点的locked域，性能将大打折扣，一种解决NUMA系统结构的思路是MCS队列锁。

MCS锁(MCS Spinlock)

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。

MCS队列锁的具体实现如下：

a. 队列初始化时没有结点，tail=null

b. 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

c. 线程B和C相继加入队列，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

d. 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

代码简单实现

public class CLHLock implements Lock {
AtomicReference<QNode> tail = new AtomicReference<QNode>(new QNode());
ThreadLocal<QNode> myPred;
ThreadLocal<QNode> myNode;

public CLHLock() {
tail = new AtomicReference<QNode>(new QNode());
myNode = new ThreadLocal<QNode>() {
protected QNode initialValue() {
return new QNode();
}
};
myPred = new ThreadLocal<QNode>() {
protected QNode initialValue() {
return null;
}
};
}

@Override
public void lock() {
QNode qnode = myNode.get();
qnode.locked = true;
QNode pred = tail.getAndSet(qnode);
myPred.set(pred);
while (pred.locked) {
}
}

@Override
public void unlock() {
QNode qnode = myNode.get();
qnode.locked = false;
myNode.set(myPred.get());
}
}