深入理解java自旋鎖
簡(jiǎn)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(wú)鎖算法。無(wú)鎖編程,即不使用鎖的情況下實(shí)現(xiàn)多線程之間的變量同步,也就是在沒(méi)有線程被阻塞的情況下實(shí)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(gè)操作數(shù)
- 需要讀寫的內(nèi)存值 V
- 進(jìn)行比較的值 A
- 擬寫入的新值 B
當(dāng)且僅當(dāng) V 的值等于 A時(shí),CAS通過(guò)原子方式用新值B來(lái)更新V的值,否則不會(huì)執(zhí)行任何操作(比較和替換是一個(gè)原子操作)。一般情況下是一個(gè)<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(dāng)一個(gè)線程在獲取鎖的時(shí)候,如果鎖已經(jīng)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(huì)退出循環(huán)。
獲取鎖的線程一直處于活躍狀態(tài),但是并沒(méi)有執(zhí)行任何有效的任務(wù),使用這種鎖會(huì)造成busy-waiting。
它是為實(shí)現(xiàn)保護(hù)共享資源而提出一種鎖機(jī)制。其實(shí),自旋鎖與互斥鎖比較類似,它們都是為了解決對(duì)某項(xiàng)資源的互斥使用。無(wú)論是互斥鎖,還是自旋鎖,在任何時(shí)刻,最多只能有一個(gè)保持者,也就說(shuō),在任何時(shí)刻最多只能有一個(gè)執(zhí)行單元獲得鎖。但是兩者在調(diào)度機(jī)制上略有不同。對(duì)于互斥鎖,如果資源已經(jīng)被占用,資源申請(qǐng)者只能進(jìn)入睡眠狀態(tài)。但是自旋鎖不會(huì)引起調(diào)用者睡眠,如果自旋鎖已經(jīng)被別的執(zhí)行單元保持,調(diào)用者就一直循環(huán)在那里看是否該自旋鎖的保持者已經(jīng)釋放了鎖,"自旋"一詞就是因此而得名。
Java如何實(shí)現(xiàn)自旋鎖?
下面是個(gè)簡(jiǎn)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(dāng)?shù)谝粋€(gè)線程A獲取鎖的時(shí)候,能夠成功獲取到,不會(huì)進(jìn)入while循環(huán),如果此時(shí)線程A沒(méi)有釋放鎖,另一個(gè)線程B又來(lái)獲取鎖,此時(shí)由于不滿足CAS,所以就會(huì)進(jìn)入while循環(huán),不斷判斷是否滿足CAS,直到A線程調(diào)用unlock方法釋放了該鎖。
自旋鎖存在的問(wèn)題
1.如果某個(gè)線程持有鎖的時(shí)間過(guò)長(zhǎng),就會(huì)導(dǎo)致其它等待獲取鎖的線程進(jìn)入循環(huán)等待,消耗CPU。使用不當(dāng)會(huì)造成CPU使用率極高。
2.上面Java實(shí)現(xiàn)的自旋鎖不是公平的,即無(wú)法滿足等待時(shí)間最長(zhǎng)的線程優(yōu)先獲取鎖。不公平的鎖就會(huì)存在“線程饑餓”問(wèn)題。
自旋鎖的優(yōu)點(diǎn)
1.自旋鎖不會(huì)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(huì)使線程進(jìn)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(shí)候會(huì)進(jìn)入阻塞狀態(tài),從而進(jìn)入內(nèi)核態(tài),當(dāng)獲取到鎖的時(shí)候需要從內(nèi)核態(tài)恢復(fù),需要線程上下文切換。 (線程被阻塞后便進(jìn)入內(nèi)核(Linux)調(diào)度狀態(tài),這個(gè)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)在用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)之間來(lái)回切換,嚴(yán)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(shí)候的那段代碼,仔細(xì)分析一下就可以看出,它是不支持重入的,即當(dāng)一個(gè)線程第一次已經(jīng)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(huì)進(jìn)入while循環(huán)等待,而如果是可重入鎖,第二次也是應(yīng)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(dāng)?shù)谝淮吾尫沛i的時(shí)候,第二次獲取到的鎖也會(huì)被釋放,而這是不合理的。
為了實(shí)現(xiàn)可重入鎖,我們需要引入一個(gè)計(jì)數(shù)器,用來(lái)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(dāng)前線程已經(jīng)獲取到了鎖,線程數(shù)增加一,然后返回 count++; return; } // 如果沒(méi)獲取到鎖,則通過(guò)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(dāng)前線程多次獲取了該鎖,釋放鎖通過(guò)count減一來(lái)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(wèn)題。
思路:每當(dāng)有線程獲取鎖的時(shí)候,就給該線程分配一個(gè)遞增的id,我們稱之為排隊(duì)號(hào),同時(shí),鎖對(duì)應(yīng)一個(gè)服務(wù)號(hào),每當(dāng)有線程釋放鎖,服務(wù)號(hào)就會(huì)遞增,此時(shí)如果服務(wù)號(hào)與某個(gè)線程排隊(duì)號(hào)一致,那么該線程就獲得鎖,由于排隊(duì)號(hào)是遞增的,所以就保證了最先請(qǐng)求獲取鎖的線程可以最先獲取到鎖,就實(shí)現(xiàn)了公平性。
可以想象成銀行辦理業(yè)務(wù)排隊(duì),排隊(duì)的每一個(gè)顧客都代表一個(gè)需要請(qǐng)求鎖的線程,而銀行服務(wù)窗口表示鎖,每當(dāng)有窗口服務(wù)完成就把自己的服務(wù)號(hào)加一,此時(shí)在排隊(duì)的所有顧客中,只有自己的排隊(duì)號(hào)與服務(wù)號(hào)一致的才可以得到服務(wù)。
實(shí)現(xiàn)代碼:
public class TicketLock { /** * 服務(wù)號(hào) */ private AtomicInteger serviceNum = new AtomicInteger(); /** * 排隊(duì)號(hào) */ private AtomicInteger ticketNum = new AtomicInteger(); /** * lock:獲取鎖,如果獲取成功,返回當(dāng)前線程的排隊(duì)號(hào),獲取排隊(duì)號(hào)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(dāng)前持有鎖的線程的排隊(duì)號(hào) <br/> * * @param ticketnum */ public void unlock(int ticketnum) { serviceNum.compareAndSet(ticketnum, ticketnum + 1); } }
上面的實(shí)現(xiàn)方式是,線程獲取鎖之后,將它的排隊(duì)號(hào)返回,等該線程釋放鎖的時(shí)候,需要將該排隊(duì)號(hào)傳入。但這樣是有風(fēng)險(xiǎn)的,因?yàn)檫@個(gè)排隊(duì)號(hào)是可以被修改的,一旦排隊(duì)號(hào)被不小心修改了,那么鎖將不能被正確釋放。一種更好的實(shí)現(xiàn)方式如下:
public class TicketLockV2 { /** * 服務(wù)號(hào) */ private AtomicInteger serviceNum = new AtomicInteger(); /** * 排隊(duì)號(hào) */ private AtomicInteger ticketNum = new AtomicInteger(); /** * 新增一個(gè)ThreadLocal,用于存儲(chǔ)每個(gè)線程的排隊(duì)號(hào) */ private ThreadLocal<Integer> ticketNumHolder = new ThreadLocal<Integer>(); public void lock() { int currentTicketNum = ticketNum.incrementAndGet(); // 獲取鎖的時(shí)候,將當(dāng)前線程的排隊(duì)號(hào)保存起來(lái) ticketNumHolder.set(currentTicketNum); while (currentTicketNum != serviceNum.get()) { // Do nothing } } public void unlock() { // 釋放鎖,從ThreadLocal中獲取當(dāng)前線程的排隊(duì)號(hào) Integer currentTickNum = ticketNumHolder.get(); serviceNum.compareAndSet(currentTickNum, currentTickNum + 1); } }
上面的實(shí)現(xiàn)方式是將每個(gè)線程的排隊(duì)號(hào)放到了ThreadLocal中。
TicketLock存在的問(wèn)題:
多處理器系統(tǒng)上,每個(gè)進(jìn)程/線程占用的處理器都在讀寫同一個(gè)變量serviceNum ,每次讀寫操作都必須在多個(gè)處理器緩存之間進(jìn)行緩存同步,這會(huì)導(dǎo)致繁重的系統(tǒng)總線和內(nèi)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(gè)問(wèn)題的。
2. CLHLock
CLH鎖是一種基于鏈表的可擴(kuò)展、高性能、公平的自旋鎖,申請(qǐng)線程只在本地變量上自旋,它不斷輪詢前驅(qū)的狀態(tài),如果發(fā)現(xiàn)前驅(qū)釋放了鎖就結(jié)束自旋,獲得鎖。
實(shí)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(lái)源:http://ifeve.com/java_lock_see2/ */ public class CLHLock { /** * 定義一個(gè)節(jié)點(diǎn),默認(rèn)的lock狀態(tài)為true */ public static class CLHNode { private volatile boolean isLocked = true; } /** * 尾部節(jié)點(diǎn),只用一個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)并將節(jié)點(diǎn)與當(dāng)前線程保存起來(lái) CLHNode node = new CLHNode(); LOCAL.set(node); // 將新建的節(jié)點(diǎn)設(shè)置為尾部節(jié)點(diǎn),并返回舊的節(jié)點(diǎn)(原子操作),這里舊的節(jié)點(diǎn)實(shí)際上就是當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的前驅(qū)節(jié)點(diǎn) CLHNode preNode = UPDATER.getAndSet(this, node); if (preNode != null) { // 前驅(qū)節(jié)點(diǎn)不為null表示當(dāng)鎖被其他線程占用,通過(guò)不斷輪詢判斷前驅(qū)節(jié)點(diǎn)的鎖標(biāo)志位等待前驅(qū)節(jié)點(diǎn)釋放鎖 while (preNode.isLocked) { } preNode = null; LOCAL.set(node); } // 如果不存在前驅(qū)節(jié)點(diǎn),表示該鎖沒(méi)有被其他線程占用,則當(dāng)前線程獲得鎖 } public void unlock() { // 獲取當(dāng)前線程對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn) CLHNode node = LOCAL.get(); // 如果tail節(jié)點(diǎn)等于node,則將tail節(jié)點(diǎn)更新為null,同時(shí)將node的lock狀態(tài)職位false,表示當(dāng)前線程釋放了鎖 if (!UPDATER.compareAndSet(this, node, null)) { node.isLocked = false; } node = null; } }
3. MCSLock
MCSLock則是對(duì)本地變量的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行循環(huán)。
/** * MCS:發(fā)明人名字John Mellor-Crummey和Michael Scott * 代碼來(lái)源:http://ifeve.com/java_lock_see2/ */ public class MCSLock { /** * 節(jié)點(diǎn),記錄當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的鎖狀態(tài)以及后驅(qū)節(jié)點(diǎn) */ public static class MCSNode { volatile MCSNode next; volatile boolean isLocked = true; } private static final ThreadLocal<MCSNode> NODE = new ThreadLocal<MCSNode>(); // 隊(duì)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(diǎn)并保存到ThreadLocal中 MCSNode currentNode = new MCSNode(); NODE.set(currentNode); // 將queue設(shè)置為當(dāng)前節(jié)點(diǎn),并且返回之前的節(jié)點(diǎn) MCSNode preNode = UPDATER.getAndSet(this, currentNode); if (preNode != null) { // 如果之前節(jié)點(diǎn)不為null,表示鎖已經(jīng)被其他線程持有 preNode.next = currentNode; // 循環(huán)判斷,直到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的鎖標(biāo)志位為false while (currentNode.isLocked) { } } } public void unlock() { MCSNode currentNode = NODE.get(); // next為null表示沒(méi)有正在等待獲取鎖的線程 if (currentNode.next == null) { // 更新?tīng)顟B(tài)并設(shè)置queue為null if (UPDATER.compareAndSet(this, currentNode, null)) { // 如果成功了,表示queue==currentNode,即當(dāng)前節(jié)點(diǎn)后面沒(méi)有節(jié)點(diǎn)了 return; } else { // 如果不成功,表示queue!=currentNode,即當(dāng)前節(jié)點(diǎn)后面多了一個(gè)節(jié)點(diǎn),表示有線程在等待 // 如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的后續(xù)節(jié)點(diǎn)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(shí)將等待線程對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)鎖狀態(tài)更新為false,同時(shí)將當(dāng)前線程的后繼節(jié)點(diǎn)設(shè)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(méi)有真正的后續(xù)節(jié)點(diǎn)屬性,MCSLock是顯示鏈表,有一個(gè)指向后續(xù)節(jié)點(diǎn)的屬性。
- 將獲取鎖的線程狀態(tài)借助節(jié)點(diǎn)(node)保存,每個(gè)線程都有一份獨(dú)立的節(jié)點(diǎn),這樣就解決了TicketLock多處理器緩存同步的問(wèn)題。
自旋鎖與互斥鎖
- 自旋鎖與互斥鎖都是為了實(shí)現(xiàn)保護(hù)資源共享的機(jī)制。
- 無(wú)論是自旋鎖還是互斥鎖,在任意時(shí)刻,都最多只能有一個(gè)保持者。
- 獲取互斥鎖的線程,如果鎖已經(jīng)被占用,則該線程將進(jìn)入睡眠狀態(tài);獲取自旋鎖的線程則不會(huì)睡眠,而是一直循環(huán)等待鎖釋放。
總結(jié):
- 自旋鎖:線程獲取鎖的時(shí)候,如果鎖被其他線程持有,則當(dāng)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(huì)改變,線程一直是用戶態(tài)并且是活動(dòng)的(active)。
- 自旋鎖如果持有鎖的時(shí)間太長(zhǎng),則會(huì)導(dǎo)致其它等待獲取鎖的線程耗盡CPU。
- 自旋鎖本身無(wú)法保證公平性,同時(shí)也無(wú)法保證可重入性。
- 基于自旋鎖,可以實(shí)現(xiàn)具備公平性和可重入性質(zhì)的鎖。
- TicketLock:采用類似銀行排號(hào)叫好的方式實(shí)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(gè)處理器緩存之間進(jìn)行緩存同步,這會(huì)導(dǎo)致繁重的系統(tǒng)總線和內(nèi)存的流量,大大降低系統(tǒng)整體的性能。
- CLHLock和MCSLock通過(guò)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(guò)輪詢其前驅(qū)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài),而MCS則是查看當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的鎖狀態(tài)。
- CLHLock在NUMA架構(gòu)下使用會(huì)存在問(wèn)題。在沒(méi)有cache的NUMA系統(tǒng)架構(gòu)中,由于CLHLock是在當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的前一個(gè)節(jié)點(diǎn)上自旋,NUMA架構(gòu)中處理器訪問(wèn)本地內(nèi)存的速度高于通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)其他節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存,所以CLHLock在NUMA架構(gòu)上不是最優(yōu)的自旋鎖。
以上就是本文的全部?jī)?nèi)容,希望對(duì)大家的學(xué)習(xí)有所幫助,也希望大家多多支持腳本之家。
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