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深入理解java自旋鎖

 更新時間:2019年05月29日 08:37:13   作者:Snailclimb  
這篇文章主要介紹了如何深入理解java自旋鎖,文中通過示例代碼介紹的非常詳細,對大家的學習或者工作具有一定的參考學習價值,下面和小編來一起學習下吧

簡單回顧一下CAS算法

CAS算法 即compare and swap(比較與交換),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(xiàn)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(xiàn)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(shù)

  • 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<font color="red">自旋操作</font>,即不斷的重試。

什么是自旋鎖?

<font color="red">自旋鎖(spinlock)</font>:是指當一個線程在獲取鎖的時候,如果鎖已經被其它線程獲取,那么該線程將循環(huán)等待,然后不斷的判斷鎖是否能夠被成功獲取,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(xiàn)保護共享資源而提出一種鎖機制。其實,自旋鎖與互斥鎖比較類似,它們都是為了解決對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,最多只能有一個保持者,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。

Java如何實現(xiàn)自旋鎖?

下面是個簡單的例子:

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,當?shù)谝粋€線程A獲取鎖的時候,能夠成功獲取到,不會進入while循環(huán),如果此時線程A沒有釋放鎖,另一個線程B又來獲取鎖,此時由于不滿足CAS,所以就會進入while循環(huán),不斷判斷是否滿足CAS,直到A線程調用unlock方法釋放了該鎖。

自旋鎖存在的問題

1.如果某個線程持有鎖的時間過長,就會導致其它等待獲取鎖的線程進入循環(huán)等待,消耗CPU。使用不當會造成CPU使用率極高。

2.上面Java實現(xiàn)的自旋鎖不是公平的,即無法滿足等待時間最長的線程優(yōu)先獲取鎖。不公平的鎖就會存在“線程饑餓”問題。

自旋鎖的優(yōu)點

1.自旋鎖不會使線程狀態(tài)發(fā)生切換,一直處于用戶態(tài),即線程一直都是active的;不會使線程進入阻塞狀態(tài),減少了不必要的上下文切換,執(zhí)行速度快

2.非自旋鎖在獲取不到鎖的時候會進入阻塞狀態(tài),從而進入內核態(tài),當獲取到鎖的時候需要從內核態(tài)恢復,需要線程上下文切換。 (線程被阻塞后便進入內核(Linux)調度狀態(tài),這個會導致系統(tǒng)在用戶態(tài)與內核態(tài)之間來回切換,嚴重影響鎖的性能)

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?shù)谝淮吾尫沛i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(xiàn)可重入鎖,我們需要引入一個計數(shù)器,用來記錄獲取鎖的線程數(shù)。

public class ReentrantSpinLock {
private AtomicReference<Thread> cas = new AtomicReference<Thread>();
private int count;
public void lock() {
Thread current = Thread.currentThread();
if (current == cas.get()) { // 如果當前線程已經獲取到了鎖,線程數(shù)增加一,然后返回
count++;
return;
}
// 如果沒獲取到鎖,則通過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,表示當前線程多次獲取了該鎖,釋放鎖通過count減一來模擬
count--;
} else {// 如果count==0,可以將鎖釋放,這樣就能保證獲取鎖的次數(shù)與釋放鎖的次數(shù)是一致的了。
cas.compareAndSet(cur, null);
}
}
}
}

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(xiàn)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。

實現(xiàn)代碼:

public class TicketLock {
/**
* 服務號
*/
private AtomicInteger serviceNum = new AtomicInteger();
/**
* 排隊號
*/
private AtomicInteger ticketNum = new AtomicInteger();
/**
* lock:獲取鎖,如果獲取成功,返回當前線程的排隊號,獲取排隊號用于釋放鎖. <br/>
*
* @return
*/
public int lock() {
int currentTicketNum = ticketNum.incrementAndGet();
while (currentTicketNum != serviceNum.get()) {
// Do nothing
}
return currentTicketNum;
}
/**
* unlock:釋放鎖,傳入當前持有鎖的線程的排隊號 <br/>
*
* @param ticketnum
*/
public void unlock(int ticketnum) {
serviceNum.compareAndSet(ticketnum, ticketnum + 1);
}
}

上面的實現(xiàn)方式是,線程獲取鎖之后,將它的排隊號返回,等該線程釋放鎖的時候,需要將該排隊號傳入。但這樣是有風險的,因為這個排隊號是可以被修改的,一旦排隊號被不小心修改了,那么鎖將不能被正確釋放。一種更好的實現(xiàn)方式如下:

public class TicketLockV2 {
/**
* 服務號
*/
private AtomicInteger serviceNum = new AtomicInteger();
/**
* 排隊號
*/
private AtomicInteger ticketNum = new AtomicInteger();
/**
* 新增一個ThreadLocal,用于存儲每個線程的排隊號
*/
private ThreadLocal<Integer> ticketNumHolder = new ThreadLocal<Integer>();
public void lock() {
int currentTicketNum = ticketNum.incrementAndGet();
// 獲取鎖的時候,將當前線程的排隊號保存起來
ticketNumHolder.set(currentTicketNum);
while (currentTicketNum != serviceNum.get()) {
// Do nothing
}
}
public void unlock() {
// 釋放鎖,從ThreadLocal中獲取當前線程的排隊號
Integer currentTickNum = ticketNumHolder.get();
serviceNum.compareAndSet(currentTickNum, currentTickNum + 1);
}
}

上面的實現(xiàn)方式是將每個線程的排隊號放到了ThreadLocal中。

TicketLock存在的問題:

多處理器系統(tǒng)上,每個進程/線程占用的處理器都在讀寫同一個變量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(tǒng)總線和內存的流量,大大降低系統(tǒng)整體的性能。

下面介紹的MCSLock和CLHLock就是解決這個問題的。

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(xiàn)前驅釋放了鎖就結束自旋,獲得鎖。

實現(xiàn)代碼如下:

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReferenceFieldUpdater;
/**
* CLH的發(fā)明人是:Craig,Landin and Hagersten。
* 代碼來源:http://ifeve.com/java_lock_see2/
*/
public class CLHLock {
/**
* 定義一個節(jié)點,默認的lock狀態(tài)為true
*/
public static class CLHNode {
private volatile boolean isLocked = true;
}
/**
* 尾部節(jié)點,只用一個節(jié)點即可
*/
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() {
// 新建節(jié)點并將節(jié)點與當前線程保存起來
CLHNode node = new CLHNode();
LOCAL.set(node);
// 將新建的節(jié)點設置為尾部節(jié)點,并返回舊的節(jié)點(原子操作),這里舊的節(jié)點實際上就是當前節(jié)點的前驅節(jié)點
CLHNode preNode = UPDATER.getAndSet(this, node);
if (preNode != null) {
// 前驅節(jié)點不為null表示當鎖被其他線程占用,通過不斷輪詢判斷前驅節(jié)點的鎖標志位等待前驅節(jié)點釋放鎖
while (preNode.isLocked) {
}
preNode = null;
LOCAL.set(node);
}
// 如果不存在前驅節(jié)點,表示該鎖沒有被其他線程占用,則當前線程獲得鎖
}
public void unlock() {
// 獲取當前線程對應的節(jié)點
CLHNode node = LOCAL.get();
// 如果tail節(jié)點等于node,則將tail節(jié)點更新為null,同時將node的lock狀態(tài)職位false,表示當前線程釋放了鎖
if (!UPDATER.compareAndSet(this, node, null)) {
node.isLocked = false;
}
node = null;
}
}

3. MCSLock

MCSLock則是對本地變量的節(jié)點進行循環(huán)。

/**
* MCS:發(fā)明人名字John Mellor-Crummey和Michael Scott
* 代碼來源:http://ifeve.com/java_lock_see2/
*/
public class MCSLock {
/**
* 節(jié)點,記錄當前節(jié)點的鎖狀態(tài)以及后驅節(jié)點
*/
public static class MCSNode {
volatile MCSNode next;
volatile boolean isLocked = true;
}
private static final ThreadLocal<MCSNode> NODE = new ThreadLocal<MCSNode>();
// 隊列
@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() {
// 創(chuàng)建節(jié)點并保存到ThreadLocal中
MCSNode currentNode = new MCSNode();
NODE.set(currentNode);
// 將queue設置為當前節(jié)點,并且返回之前的節(jié)點
MCSNode preNode = UPDATER.getAndSet(this, currentNode);
if (preNode != null) {
// 如果之前節(jié)點不為null,表示鎖已經被其他線程持有
preNode.next = currentNode;
// 循環(huán)判斷,直到當前節(jié)點的鎖標志位為false
while (currentNode.isLocked) {
}
}
}
public void unlock() {
MCSNode currentNode = NODE.get();
// next為null表示沒有正在等待獲取鎖的線程
if (currentNode.next == null) {
// 更新狀態(tài)并設置queue為null
if (UPDATER.compareAndSet(this, currentNode, null)) {
// 如果成功了,表示queue==currentNode,即當前節(jié)點后面沒有節(jié)點了
return;
} else {
// 如果不成功,表示queue!=currentNode,即當前節(jié)點后面多了一個節(jié)點,表示有線程在等待
// 如果當前節(jié)點的后續(xù)節(jié)點為null,則需要等待其不為null(參考加鎖方法)
while (currentNode.next == null) {
}
}
} else {
// 如果不為null,表示有線程在等待獲取鎖,此時將等待線程對應的節(jié)點鎖狀態(tài)更新為false,同時將當前線程的后繼節(jié)點設為null
currentNode.next.isLocked = false;
currentNode.next = null;
}
}
}

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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)總線和內存的流量,大大降低系統(tǒng)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(tǒng)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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