Java鎖之自旋鎖詳解

更新時間：2014年09月19日 10:35:53 投稿：junjie

這篇文章主要介紹了Java鎖之自旋鎖詳解,本文是系列文章的第一篇,請持續(xù)關注腳本之家java欄目,需要的朋友可以參考下

鎖作為并發(fā)共享數據，保證一致性的工具，在JAVA平臺有多種實現(xiàn)(如 synchronized 和 ReentrantLock等等 ) 。這些已經寫好提供的鎖為我們開發(fā)提供了便利，但是鎖的具體性質以及類型卻很少被提及。本系列文章將分析JAVA下常見的鎖名稱以及特性，為大家答疑解惑。

1、自旋鎖

自旋鎖是采用讓當前線程不停地的在循環(huán)體內執(zhí)行實現(xiàn)的，當循環(huán)的條件被其他線程改變時才能進入臨界區(qū)。如下

復制代碼代碼如下:

public class SpinLock {

private AtomicReference<Thread> sign =new AtomicReference<>();

public void lock(){
    Thread current = Thread.currentThread();
    while(!sign .compareAndSet(null, current)){
    }
}

public void unlock (){
Thread current = Thread.currentThread();
sign .compareAndSet(current, null);
}
}

使用了CAS原子操作，lock函數將owner設置為當前線程，并且預測原來的值為空。unlock函數將owner設置為null，并且預測值為當前線程。

當有第二個線程調用lock操作時由于owner值不為空，導致循環(huán)一直被執(zhí)行，直至第一個線程調用unlock函數將owner設置為null，第二個線程才能進入臨界區(qū)。

由于自旋鎖只是將當前線程不停地執(zhí)行循環(huán)體，不進行線程狀態(tài)的改變，所以響應速度更快。但當線程數不停增加時，性能下降明顯，因為每個線程都需要執(zhí)行，占用CPU時間。如果線程競爭不激烈，并且保持鎖的時間段。適合使用自旋鎖。

注：該例子為非公平鎖，獲得鎖的先后順序，不會按照進入lock的先后順序進行。

2.自旋鎖的其他種類

上文我們講到了自旋鎖，在自旋鎖中另有三種常見的鎖形式:TicketLock ，CLHlock 和MCSlock

Ticket鎖主要解決的是訪問順序的問題，主要的問題是在多核cpu上:

復制代碼代碼如下:

package com.alipay.titan.dcc.dal.entity;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class TicketLock {
    private AtomicInteger                     serviceNum = new AtomicInteger();
    private AtomicInteger                     ticketNum = new AtomicInteger();
    private static final ThreadLocal<Integer> LOCAL      = new ThreadLocal<Integer>();

    public void lock() {
        int myticket = ticketNum.getAndIncrement();
        LOCAL.set(myticket);
        while (myticket != serviceNum.get()) {
        }

}

    public void unlock() {
        int myticket = LOCAL.get();
        serviceNum.compareAndSet(myticket, myticket + 1);
    }
}

每次都要查詢一個serviceNum 服務號，影響性能（必須要到主內存讀取，并阻止其他cpu修改）。

CLHLock 和MCSLock 則是兩種類型相似的公平鎖，采用鏈表的形式進行排序。

復制代碼代碼如下:

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReferenceFieldUpdater;

public class CLHLock {
    public static class CLHNode {
        private volatile boolean isLocked = true;
    }

    @SuppressWarnings("unused")
    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() {
        CLHNode node = new CLHNode();
        LOCAL.set(node);
        CLHNode preNode = UPDATER.getAndSet(this, node);
        if (preNode != null) {
            while (preNode.isLocked) {
            }
            preNode = null;
            LOCAL.set(node);
        }
    }

    public void unlock() {
        CLHNode node = LOCAL.get();
        if (!UPDATER.compareAndSet(this, node, null)) {
            node.isLocked = false;
        }
        node = null;
    }
}

CLHlock是不停的查詢前驅變量，導致不適合在NUMA 架構下使用（在這種結構下，每個線程分布在不同的物理內存區(qū)域）

MCSLock則是對本地變量的節(jié)點進行循環(huán)。不存在CLHlock 的問題。

復制代碼代碼如下:

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReferenceFieldUpdater;

public class MCSLock {
    public static class MCSNode {
        volatile MCSNode next;
        volatile boolean isLocked = true;
    }

    private static final ThreadLocal<MCSNode>                          NODE    = new ThreadLocal<MCSNode>();
    @SuppressWarnings("unused")
    private volatile MCSNode                                           queue;
    private static final AtomicReferenceFieldUpdater<MCSLock, MCSNode> UPDATER = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(MCSLock.class,
                                                                                   MCSNode.class, "queue");

    public void lock() {
        MCSNode currentNode = new MCSNode();
        NODE.set(currentNode);
        MCSNode preNode = UPDATER.getAndSet(this, currentNode);
        if (preNode != null) {
            preNode.next = currentNode;
            while (currentNode.isLocked) {

            }
        }
    }

    public void unlock() {
        MCSNode currentNode = NODE.get();
        if (currentNode.next == null) {
            if (UPDATER.compareAndSet(this, currentNode, null)) {

            } else {
                while (currentNode.next == null) {
                }
            }
        } else {
            currentNode.next.isLocked = false;
            currentNode.next = null;
        }
    }
}

從代碼上看，CLH 要比 MCS 更簡單，

CLH 的隊列是隱式的隊列，沒有真實的后繼結點屬性。

MCS 的隊列是顯式的隊列，有真實的后繼結點屬性。

JUC ReentrantLock 默認內部使用的鎖即是 CLH鎖（有很多改進的地方，將自旋鎖換成了阻塞鎖等等）。

（全文完）

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