CAS算法（compare and swap）

CAS算法是一種有名的無鎖算法。無鎖編程，即不使用鎖的情況下實現多線程之間的變量同步，也就是在沒有線程被阻塞的情況下實現變量的同步，所以也叫非阻塞同步（Non-blocking Synchronization）。CAS算法涉及到三個操作數

• 需要讀寫的內存值V
• 進行比較的值A
• 擬寫入的新值B

當且僅當 V 的值等于 A時，CAS通過原子方式用新值B來更新V的值，否則不會執(zhí)行任何操作（比較和替換是一個原子操作）。一般情況下是一個自旋操作，即不斷的重試。

自旋鎖

自旋鎖是指當一個線程在獲取鎖的時候，如果鎖已經被其他線程獲取，那么該線程將循環(huán)等待，然后不斷地判斷是否能夠被成功獲取，知直到獲取到鎖才會退出循環(huán)。

獲取鎖的線程一直處于活躍狀態(tài)，但是并沒有執(zhí)行任何有效的任務，使用這種鎖會造成 busy-waiting 。

它是為實現保護共享資源而提出的一種鎖機制。其實，自旋鎖與互斥鎖比較類似，它們都是為了解決某項資源的互斥使用。無論是互斥鎖，還是自旋鎖，在任何時刻，最多只能由一個保持者，也就說，在任何時刻最多只能有一個執(zhí)行單元獲得鎖。但是兩者在調度機制上略有不同。對于互斥鎖，如果資源已經被占用，資源申請者只能進入睡眠狀態(tài)。但是自旋鎖不會引起調用者睡眠，如果自旋鎖已經被別的執(zhí)行單元保持，調用者就一直循環(huán)在那里看是否該自旋鎖的保持者已經釋放了鎖，“自旋”一詞就是因此而得名。

golang實現自旋鎖

type spinLock uint32
func (sl *spinLock) Lock() {
  for !atomic.CompareAndSwapUint32((*uint32)(sl), 0, 1) {
    runtime.Gosched()
  }
}
func (sl *spinLock) Unlock() {
  atomic.StoreUint32((*uint32)(sl), 0)
}
func NewSpinLock() sync.Locker {
  var lock spinLock
  return &lock
}

可重入的自旋鎖和不可重入的自旋鎖

文章開始的時候的那段代碼，仔細分析一下就可以看出，它是不支持重入的，即當一個線程第一次已經獲取到了該鎖，在鎖釋放之前又一次重新獲取該鎖，第二次就不能成功獲取到。由于不滿足CAS，所以第二次獲取會進入while循環(huán)等待，而如果是可重入鎖，第二次也是應該能夠成功獲取到的。

而且，即使第二次能夠成功獲取，那么當第一次釋放鎖的時候，第二次獲取到的鎖也會被釋放，而這是不合理的。

為了實現可重入鎖，我們需要引入一個計數器，用來記錄獲取鎖的線程數

type spinLock struct {
   owner int
   count int
}

func (sl *spinLock) Lock() {
    me := GetGoroutineId()
    if spinLock .owner == me { // 如果當前線程已經獲取到了鎖，線程數增加一，然后返回
        sl.count++
        return
    }
    // 如果沒獲取到鎖，則通過CAS自旋
  for !atomic.CompareAndSwapUint32((*uint32)(sl), 0, 1) {
    runtime.Gosched()
  }
}
func (sl *spinLock) Unlock() {
   if rl.owner != GetGoroutineId() {
     panic("illegalMonitorStateError")
   }
   if sl.count >0 { // 如果大于0，表示當前線程多次獲取了該鎖，釋放鎖通過count減一來模擬
      sl.count--
    }else { // 如果count==0，可以將鎖釋放，這樣就能保證獲取鎖的次數與釋放鎖的次數是一致的了。
      atomic.StoreUint32((*uint32)(sl), 0)
    }
}

func GetGoroutineId() int {
  defer func() {
    if err := recover(); err != nil {
      fmt.Println("panic recover:panic info:%v", err)   }
  }()

  var buf [64]byte
  n := runtime.Stack(buf[:], false)
  idField := strings.Fields(strings.TrimPrefix(string(buf[:n]), "goroutine "))[0]
  id, err := strconv.Atoi(idField)
  if err != nil {
    panic(fmt.Sprintf("cannot get goroutine id: %v", err))
  }
  return id
}


func NewSpinLock() sync.Locker {
  var lock spinLock
  return &lock
}

自旋鎖的其他變種

1. TicketLock

TicketLock主要解決的是公平性的問題。

思路：每當有線程獲取鎖的時候，就給該線程分配一個遞增的id，我們稱之為排隊號，同時，鎖對應一個服務號，每當有線程釋放鎖，服務號就會遞增，此時如果服務號與某個線程排隊號一致，那么該線程就獲得鎖，由于排隊號是遞增的，所以就保證了最先請求獲取鎖的線程可以最先獲取到鎖，就實現了公平性。

可以想象成銀行辦理業(yè)務排隊，排隊的每一個顧客都代表一個需要請求鎖的線程，而銀行服務窗口表示鎖，每當有窗口服務完成就把自己的服務號加一，此時在排隊的所有顧客中，只有自己的排隊號與服務號一致的才可以得到服務。

2. CLHLock

CLH鎖是一種基于鏈表的可擴展、高性能、公平的自旋鎖，申請線程只在本地變量上自旋，它不斷輪詢前驅的狀態(tài)，如果發(fā)現前驅釋放了鎖就結束自旋，獲得鎖。

3. MCSLock

MCSLock則是對本地變量的節(jié)點進行循環(huán)。

4. CLHLock 和 MCSLock

都是基于鏈表，不同的是CLHLock是基于隱式鏈表，沒有真正的后續(xù)節(jié)點屬性，MCSLock是顯示鏈表，有一個指向后續(xù)節(jié)點的屬性。

將獲取鎖的線程狀態(tài)借助節(jié)點(node)保存,每個線程都有一份獨立的節(jié)點，這樣就解決了TicketLock多處理器緩存同步的問題。

自旋鎖與互斥鎖

• 自旋鎖與互斥鎖都是為了實現保護資源共享的機制。
• 無論是自旋鎖還是互斥鎖，在任意時刻，都最多只能有一個保持者。
• 獲取互斥鎖的線程，如果鎖已經被占用，則該線程將進入睡眠狀態(tài)；獲取自旋鎖的線程則不會睡眠，而是一直循環(huán)等待鎖釋放。

總結：

• 自旋鎖：線程獲取鎖的時候，如果鎖被其他線程持有，則當前線程將循環(huán)等待，直到獲取到鎖。
• 自旋鎖等待期間，線程的狀態(tài)不會改變，線程一直是用戶態(tài)并且是活動的(active)。
• 自旋鎖如果持有鎖的時間太長，則會導致其它等待獲取鎖的線程耗盡CPU。
• 自旋鎖本身無法保證公平性，同時也無法保證可重入性。
• 基于自旋鎖，可以實現具備公平性和可重入性質的鎖。
• TicketLock:采用類似銀行排號叫好的方式實現自旋鎖的公平性，但是由于不停的讀取serviceNum，每次讀寫操作都必須在多個處理器緩存之間進行緩存同步，這會導致繁重的系統總線和內存的流量，大大降低系統整體的性能。
• CLHLock和MCSLock通過鏈表的方式避免了減少了處理器緩存同步，極大的提高了性能，區(qū)別在于CLHLock是通過輪詢其前驅節(jié)點的狀態(tài)，而MCS則是查看當前節(jié)點的鎖狀態(tài)。
• CLHLock在NUMA架構下使用會存在問題。在沒有cache的NUMA系統架構中，由于CLHLock是在當前節(jié)點的前一個節(jié)點上自旋,NUMA架構中處理器訪問本地內存的速度高于通過網絡訪問其他節(jié)點的內存，所以CLHLock在NUMA架構上不是最優(yōu)的自旋鎖。

以上就是本文的全部內容，希望對大家的學習有所幫助，也希望大家多多支持腳本之家。

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