深入理解自旋锁

2019-07-22  本文已影响0人  willcoder

本文出自：
http://blog.onlycatch.com/post/自旋锁

简单回顾一下CAS算法

CAS算法 即compare and swap（比较与交换），是一种有名的无锁算法。无锁编程，即不使用锁的情况下实现多线程之间的变量同步，也就是在没有线程被阻塞的情况下实现变量的同步，所以也叫非阻塞同步（Non-blocking Synchronization）。CAS算法涉及到三个操作数

当且仅当 V 的值等于 A时，CAS通过原子方式用新值B来更新V的值，否则不会执行任何操作（比较和替换是一个原子操作）。一般情况下是一个自旋操作，即不断的重试。

什么是自旋锁？

自旋锁（spinlock）：是指当一个线程在获取锁的时候，如果锁已经被其它线程获取，那么该线程将循环等待，然后不断的判断锁是否能够被成功获取，直到获取到锁才会退出循环。

获取锁的线程一直处于活跃状态，但是并没有执行任何有效的任务，使用这种锁会造成busy-waiting。

它是为实现保护共享资源而提出一种锁机制。其实，自旋锁与互斥锁比较类似，它们都是为了解决对某项资源的互斥使用。无论是互斥锁，还是自旋锁，在任何时刻，最多只能有一个保持者，也就说，在任何时刻最多只能有一个执行单元获得锁。但是两者在调度机制上略有不同。对于互斥锁，如果资源已经被占用，资源申请者只能进入睡眠状态。但是自旋锁不会引起调用者睡眠，如果自旋锁已经被别的执行单元保持，调用者就一直循环在那里看是否该自旋锁的保持者已经释放了锁，”自旋”一词就是因此而得名。

Java如何实现自旋锁？

下面是个简单的例子：

public class SpinLock {
    private AtomicReference<Thread> cas = new AtomicReference<Thread>();
    public void lock() {
        Thread current = Thread.currentThread();
        // 利用CAS
        while (!cas.compareAndSet(null, current)) {
            // DO nothing
        }
    }
    public void unlock() {
        Thread current = Thread.currentThread();
        cas.compareAndSet(current, null);
    }
}

lock()方法利用的CAS，当第一个线程A获取锁的时候，能够成功获取到，不会进入while循环，如果此时线程A没有释放锁，另一个线程B又来获取锁，此时由于不满足CAS，所以就会进入while循环，不断判断是否满足CAS，直到A线程调用unlock方法释放了该锁。

自旋锁存在的问题

  1. 如果某个线程持有锁的时间过长，就会导致其它等待获取锁的线程进入循环等待，消耗CPU。使用不当会造成CPU使用率极高。
  2. 上面Java实现的自旋锁不是公平的，即无法满足等待时间最长的线程优先获取锁。不公平的锁就会存在“线程饥饿”问题。

自旋锁的优点

  1. 自旋锁不会使线程状态发生切换，一直处于用户态，即线程一直都是active的；不会使线程进入阻塞状态，减少了不必要的上下文切换，执行速度快
  2. 非自旋锁在获取不到锁的时候会进入阻塞状态，从而进入内核态，当获取到锁的时候需要从内核态恢复，需要线程上下文切换。 （线程被阻塞后便进入内核（Linux）调度状态，这个会导致系统在用户态与内核态之间来回切换，严重影响锁的性能）

可重入的自旋锁和不可重入的自旋锁

文章开始的时候的那段代码，仔细分析一下就可以看出，它是不支持重入的，即当一个线程第一次已经获取到了该锁，在锁释放之前又一次重新获取该锁，第二次就不能成功获取到。由于不满足CAS，所以第二次获取会进入while循环等待，而如果是可重入锁，第二次也是应该能够成功获取到的。

而且，即使第二次能够成功获取，那么当第一次释放锁的时候，第二次获取到的锁也会被释放，而这是不合理的。

为了实现可重入锁，我们需要引入一个计数器，用来记录获取锁的线程数。

public class ReentrantSpinLock {
    private AtomicReference<Thread> cas = new AtomicReference<Thread>();
    private int count;
    public void lock() {
        Thread current = Thread.currentThread();
        if (current == cas.get()) { // 如果当前线程已经获取到了锁，线程数增加一，然后返回
            count++;
            return;
        }
        // 如果没获取到锁，则通过CAS自旋
        while (!cas.compareAndSet(null, current)) {
            // DO nothing
        }
    }
    public void unlock() {
        Thread cur = Thread.currentThread();
        if (cur == cas.get()) {
            if (count > 0) {// 如果大于0，表示当前线程多次获取了该锁，释放锁通过count减一来模拟
                count--;
            } else {// 如果count==0，可以将锁释放，这样就能保证获取锁的次数与释放锁的次数是一致的了。
                cas.compareAndSet(cur, null);
            }
        }
    }
}

自旋锁的其他变种

1. TicketLock

TicketLock主要解决的是公平性的问题。

思路：每当有线程获取锁的时候，就给该线程分配一个递增的id，我们称之为排队号，同时，锁对应一个服务号，每当有线程释放锁，服务号就会递增，此时如果服务号与某个线程排队号一致，那么该线程就获得锁，由于排队号是递增的，所以就保证了最先请求获取锁的线程可以最先获取到锁，就实现了公平性。

可以想象成银行办理业务排队，排队的每一个顾客都代表一个需要请求锁的线程，而银行服务窗口表示锁，每当有窗口服务完成就把自己的服务号加一，此时在排队的所有顾客中，只有自己的排队号与服务号一致的才可以得到服务。

实现代码：

public class TicketLock {
    /**
     * 服务号
     */
    private AtomicInteger serviceNum = new AtomicInteger();
    /**
     * 排队号
     */
    private AtomicInteger ticketNum = new AtomicInteger();
    /**
     * lock:获取锁，如果获取成功，返回当前线程的排队号，获取排队号用于释放锁. <br/>
     *
     * @return
     */
    public int lock() {
        int currentTicketNum = ticketNum.incrementAndGet();
        while (currentTicketNum != serviceNum.get()) {
            // Do nothing
        }
        return currentTicketNum;
    }
    /**
     * unlock:释放锁，传入当前持有锁的线程的排队号 <br/>
     *
     * @param ticketnum
     */
    public void unlock(int ticketnum) {
        serviceNum.compareAndSet(ticketnum, ticketnum + 1);
    }
}

上面的实现方式是，线程获取锁之后，将它的排队号返回，等该线程释放锁的时候，需要将该排队号传入。但这样是有风险的，因为这个排队号是可以被修改的，一旦排队号被不小心修改了，那么锁将不能被正确释放。一种更好的实现方式如下：

public class TicketLockV2 {
    /**
     * 服务号
     */
    private AtomicInteger serviceNum = new AtomicInteger();
    /**
     * 排队号
     */
    private AtomicInteger ticketNum = new AtomicInteger();
    /**
     * 新增一个ThreadLocal，用于存储每个线程的排队号
     */
    private ThreadLocal<Integer> ticketNumHolder = new ThreadLocal<Integer>();
    public void lock() {
        int currentTicketNum = ticketNum.incrementAndGet();
        // 获取锁的时候，将当前线程的排队号保存起来
        ticketNumHolder.set(currentTicketNum);
        while (currentTicketNum != serviceNum.get()) {
            // Do nothing
        }
    }
    public void unlock() {
        // 释放锁，从ThreadLocal中获取当前线程的排队号
        Integer currentTickNum = ticketNumHolder.get();
        serviceNum.compareAndSet(currentTickNum, currentTickNum + 1);
    }
}

上面的实现方式是将每个线程的排队号放到了ThreadLocal中。

TicketLock存在的问题:

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MCSLock和CLHLock就是解决这个问题的。

2. CLHLock

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，获得锁。

实现代码如下：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReferenceFieldUpdater;
/**
 * CLH的发明人是：Craig，Landin and Hagersten。
 * 代码来源：http://ifeve.com/java_lock_see2/
 */
public class CLHLock {
    /**
     * 定义一个节点，默认的lock状态为true
     */
    public static class CLHNode {
        private volatile boolean isLocked = true;
    }
    /**
     * 尾部节点,只用一个节点即可
     */
    private volatile CLHNode tail;
    private static final ThreadLocal<CLHNode> LOCAL = new ThreadLocal<CLHNode>();
    private static final AtomicReferenceFieldUpdater<CLHLock, CLHNode> UPDATER = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(CLHLock.class, CLHNode.class,
            "tail");
    public void lock() {
        // 新建节点并将节点与当前线程保存起来
        CLHNode node = new CLHNode();
        LOCAL.set(node);
        // 将新建的节点设置为尾部节点，并返回旧的节点（原子操作），这里旧的节点实际上就是当前节点的前驱节点
        CLHNode preNode = UPDATER.getAndSet(this, node);
        if (preNode != null) {
            // 前驱节点不为null表示当锁被其他线程占用，通过不断轮询判断前驱节点的锁标志位等待前驱节点释放锁
            while (preNode.isLocked) {
            }
            preNode = null;
            LOCAL.set(node);
        }
        // 如果不存在前驱节点，表示该锁没有被其他线程占用，则当前线程获得锁
    }
    public void unlock() {
        // 获取当前线程对应的节点
        CLHNode node = LOCAL.get();
        // 如果tail节点等于node，则将tail节点更新为null，同时将node的lock状态职位false，表示当前线程释放了锁
        if (!UPDATER.compareAndSet(this, node, null)) {
            node.isLocked = false;
        }
        node = null;
    }
}

3. MCSLock

MCSLock则是对本地变量的节点进行循环。

/**
 * MCS:发明人名字John Mellor-Crummey和Michael Scott
 * 代码来源：http://ifeve.com/java_lock_see2/
 */
public class MCSLock {
    /**
     * 节点，记录当前节点的锁状态以及后驱节点
     */
    public static class MCSNode {
        volatile MCSNode next;
        volatile boolean isLocked = true;
    }
    private static final ThreadLocal<MCSNode> NODE = new ThreadLocal<MCSNode>();
    // 队列
    @SuppressWarnings("unused")
    private volatile MCSNode queue;
    // queue更新器
    private static final AtomicReferenceFieldUpdater<MCSLock, MCSNode> UPDATER = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(MCSLock.class, MCSNode.class,
            "queue");
    public void lock() {
        // 创建节点并保存到ThreadLocal中
        MCSNode currentNode = new MCSNode();
        NODE.set(currentNode);
        // 将queue设置为当前节点，并且返回之前的节点
        MCSNode preNode = UPDATER.getAndSet(this, currentNode);
        if (preNode != null) {
            // 如果之前节点不为null，表示锁已经被其他线程持有
            preNode.next = currentNode;
            // 循环判断，直到当前节点的锁标志位为false
            while (currentNode.isLocked) {
            }
        }
    }
    public void unlock() {
        MCSNode currentNode = NODE.get();
        // next为null表示没有正在等待获取锁的线程
        if (currentNode.next == null) {
            // 更新状态并设置queue为null
            if (UPDATER.compareAndSet(this, currentNode, null)) {
                // 如果成功了，表示queue==currentNode,即当前节点后面没有节点了
                return;
            } else {
                // 如果不成功，表示queue!=currentNode,即当前节点后面多了一个节点，表示有线程在等待
                // 如果当前节点的后续节点为null，则需要等待其不为null（参考加锁方法）
                while (currentNode.next == null) {
                }
            }
        } else {
            // 如果不为null，表示有线程在等待获取锁，此时将等待线程对应的节点锁状态更新为false，同时将当前线程的后继节点设为null
            currentNode.next.isLocked = false;
            currentNode.next = null;
        }
    }
}

4. CLHLock 和 MCSLock

自旋锁与互斥锁

总结：

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