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Java中的自旋鎖解析

更新時(shí)間：2023年10月13日 09:21:31 作者：李長淵哦

這篇文章主要介紹了Java中的自旋鎖解析,自旋鎖是指當(dāng)一個(gè)線程嘗試獲取某個(gè)鎖時(shí),如果該鎖已被其他線程占用,就一直循環(huán)檢測鎖是否被釋放,而不是進(jìn)入線程掛起或睡眠狀態(tài),需要的朋友可以參考下

一、自旋鎖介紹

什么是自旋鎖

自旋鎖是指當(dāng)一個(gè)線程嘗試獲取某個(gè)鎖時(shí)，如果該鎖已被其他線程占用，就一直循環(huán)檢測鎖是否被釋放，而不是進(jìn)入線程掛起或睡眠狀態(tài)。

為什么要使用自旋鎖

多個(gè)線程對同一個(gè)變量一直使用CAS操作，那么會(huì)有大量修改操作，從而產(chǎn)生大量的緩存一致性流量，因?yàn)槊恳淮蜟AS操作都會(huì)發(fā)出廣播通知其他處理器，從而影響程序的性能。

線程自旋與線程阻塞

阻塞的缺點(diǎn)顯而易見，線程一旦進(jìn)入阻塞(Block)，再被喚醒的代價(jià)比較高，性能較差。自旋的優(yōu)點(diǎn)是線程還是Runnable的，只是在執(zhí)行空代碼。當(dāng)然一直自旋也會(huì)白白消耗計(jì)算資源，所以常見的做法是先自旋一段時(shí)間，還沒拿到鎖就進(jìn)入阻塞。JVM在處理synchrized實(shí)現(xiàn)時(shí)就是采用了這種折中的方案，并提供了調(diào)節(jié)自旋的參數(shù)。

首先來對比一下互斥鎖和自旋鎖。

互斥鎖：從等待到解鎖過程，線程會(huì)從block狀態(tài)變?yōu)閞unning狀態(tài)，過程中有線程上下文的切換，搶占CPU等開銷。
自旋鎖：從等待到解鎖過程，線程一直處于running狀態(tài)，沒有上下文的切換。

雖然自旋鎖效率比互斥鎖高，但它會(huì)存在下面兩個(gè)問題

自旋鎖一直占用CPU，在未獲得鎖的情況下，一直運(yùn)行，如果不能在很短的時(shí)間內(nèi)獲得鎖，會(huì)導(dǎo)致CPU效率降低。
試圖遞歸地獲得自旋鎖會(huì)引起死鎖。遞歸程序決不能在持有自旋鎖時(shí)調(diào)用它自己，也決不能在遞歸調(diào)用時(shí)試圖獲得相同的自旋鎖。

由此可見，我們要慎重的使用自旋鎖，自旋鎖適合于鎖使用者保持鎖時(shí)間比較短并且鎖競爭不激烈的情況。正是由于自旋鎖使用者一般保持鎖時(shí)間非常短，因此選擇自旋而不是睡眠是非常必要的，自旋鎖的效率遠(yuǎn)高于互斥鎖。

二、代碼舉例

/**
 * @author lichangyuan
 * @create 2021-10-08 10:50
 */
public class SpinLock {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //設(shè)置100容量線程池
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(100);
        //計(jì)數(shù)器用于阻塞
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(10);
        //創(chuàng)建自旋鎖對象
        SimpleSpinningLock simpleSpinningLock = new SimpleSpinningLock();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            executorService.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    simpleSpinningLock.lock();
                    try {
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println("子線程：" + Thread.currentThread().getName() + "執(zhí)行");
                    simpleSpinningLock.unLock();
                    //確認(rèn)已經(jīng)連接完畢后再進(jìn)行操作，將count值減1
                    countDownLatch.countDown();
                }
            });
        }
        //調(diào)用await()方法的線程會(huì)被掛起，它會(huì)等待直到count值為0才繼續(xù)執(zhí)行，沒有則調(diào)用countDown則繼續(xù)阻塞
        countDownLatch.await();
    }
}
class SimpleSpinningLock {
    /**
     * 持有鎖的線程，null表示鎖未被線程持有
     */
    private AtomicReference<Thread> sign = new AtomicReference<>();
    /**
     * 調(diào)用lock方法時(shí)，如果sign當(dāng)前值為null，說明自旋鎖還沒有被占用，將sign設(shè)置為currentThread，并進(jìn)行鎖定。
     * 調(diào)用lock方法時(shí)，如果sign當(dāng)前值不為null，說明自旋鎖已經(jīng)被其他線程占用，當(dāng)前線程就會(huì)在while中繼續(xù)循環(huán)檢測。
     */
    public void lock() {
        //返回的正是執(zhí)行當(dāng)前代碼指令的線程引用
        Thread currentThread = Thread.currentThread();
        //expect:它指定原子對象應(yīng)為的值。
        //val:如果原子整數(shù)等于期望值，則該值指定要更新的值。
        while (!sign.compareAndSet(null, currentThread)) {
            //當(dāng)ref為null的時(shí)候compareAndSet返回true，反之為false
            //通過循環(huán)不斷的自旋判斷鎖是否被其他線程持有
        }
    }
    /**
     * 調(diào)用unlock方法時(shí)，會(huì)將sign置為空，相當(dāng)于釋放自旋鎖。
     */
    public void unLock() {
        Thread currentThread = Thread.currentThread();
        //expect:它指定原子對象應(yīng)為的值。
        //val:如果原子整數(shù)等于期望值，則該值指定要更新的值。
        sign.compareAndSet(currentThread, null);
    }
}