☕【Java技术指南】「并发原理专题」AQS的技术体系之CLH、MCS锁的原理及实现

背景

SMP(Symmetric Multi-Processor)

对称多处理器结构，它是相对非对称多处理技术而言的、应用十分广泛的并行技术。

• 在这种架构中，一台计算机由多个CPU组成，并共享内存和其他资源，所有的CPU都可以平等地访问内存、I/O和外部中断。
• 虽然同时使用多个CPU，但是从管理的角度来看，它们的表现就像一台单机一样。
• 操作系统将任务队列对称地分布于多个CPU之上，从而极大地提高了整个系统的数据处理能力。
• 但是随着CPU数量的增加，每个CPU都要访问相同的内存资源，共享资源可能会成为系统瓶颈，导致CPU资源浪费。

NUMA(Non-Uniform Memory Access)

非一致存储访问，将CPU分为CPU模块，每个CPU模块由多个CPU组成，并且具有独立的本地内存、I/O槽口等，模块之间可以通过互联模块相互访问。

• 访问本地内存（本CPU模块的内存）的速度将远远高于访问远程内存(其他CPU模块的内存)的速度，这也是非一致存储访问的由来。

• NUMA较好地解决SMP的扩展问题，当CPU数量增加时，因为访问远地内存的延时远远超过本地内存，系统性能无法线性增加。

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CLH锁

CLH是一种基于单向链表的高性能、公平的自旋锁。申请加锁的线程通过前驱节点的变量进行自旋。在前置节点解锁后，当前节点会结束自旋，并进行加锁。

• 在SMP架构下，CLH更具有优势。
• 在NUMA架构下，如果当前节点与前驱节点不在同一CPU模块下，跨CPU模块会带来额外的系统开销，而MCS锁更适用于NUMA架构。

加锁逻辑

1. 获取当前线程的锁节点，如果为空，则进行初始化；

2. 同步方法获取链表的尾节点，并将当前节点置为尾节点，此时原来的尾节点为当前节点的前置节点。

3. 如果尾节点为空，表示当前节点是第一个节点，直接加锁成功。

4. 如果尾节点不为空，则基于前置节点的锁值（locked==true）进行自旋，直到前置节点的锁值变为false。

解锁逻辑

1. 获取当前线程对应的锁节点，如果节点为空或者锁值为false，则无需解锁，直接返回；

2. 同步方法为尾节点赋空值，赋值不成功表示当前节点不是尾节点，则需要将当前节点的locked=false解锁节点。如果当前节点是尾节点，则无需为该节点设置。

public class CLHLock {
    private final AtomicReference<Node> tail;
    private final ThreadLocal<Node> myNode;
    private final ThreadLocal<Node> myPred;

    public CLHLock() {
        tail = new AtomicReference<>(new Node());
        myNode = ThreadLocal.withInitial(() -> new Node());
        myPred = ThreadLocal.withInitial(() -> null);
    }

    public void lock(){
        Node node = myNode.get();
        node.locked = true;
        Node pred = tail.getAndSet(node);
        myPred.set(pred);
        while (pred.locked){}
    }

    public void unLock(){
        Node node = myNode.get();
        node.locked=false;
        myNode.set(myPred.get());
    }

    static class Node {
        volatile boolean locked = false;
    }

}

MCS锁

MSC与CLH最大的不同并不是链表是显示还是隐式，而是线程自旋的规则不同:CLH是在前趋结点的locked域上自旋等待，而MCS是在自己的结点的locked域上自旋等待。正因为如此，它解决了CLH在NUMA系统架构中获取locked域状态内存过远的问题。

MCS锁具体实现规则：

• a. 队列初始化时没有结点，tail=null

• b. 线程A想要获取锁，将自己置于队尾，由于它是第一个结点，它的locked域为false

• c. 线程B和C相继加入队列，a->next=b,b->next=c，B和C没有获取锁，处于等待状态，所以locked域为true，尾指针指向线程C对应的结点

• d. 线程A释放锁后，顺着它的next指针找到了线程B，并把B的locked域设置为false，这一动作会触发线程B获取锁。

public class MCSLock {

    private final AtomicReference<Node> tail;

    private final ThreadLocal<Node> myNode;

    public MCSLock() {
        tail = new AtomicReference<>();
        myNode = ThreadLocal.withInitial(() -> new Node());
    }

    public void lock() {

        Node node = myNode.get();
        Node pred = tail.getAndSet(node);
        if (pred != null) {
            node.locked = true;
            pred.next = node;
            while (node.locked) {
            }
        }

    }

    public void unLock() {
        Node node = myNode.get();
        if (node.next == null) {
            if (tail.compareAndSet(node, null)) {
                return;
            }

            while (node.next == null) {
            }
        }
        node.next.locked = false;
        node.next = null;
    }

    class Node {
        volatile boolean locked = false;
        Node next = null;
    }

    public static void main(String[] args) {

        MCSLock lock = new MCSLock();

        Runnable task = new Runnable() {
            private int a;

            @Override
            public void run() {
                lock.lock();
                for (int i = 0; i < 10; i++) {
                    a++;
                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                System.out.println(a);
                lock.unLock();
            }
        };

        new Thread(task).start();
        new Thread(task).start();
        new Thread(task).start();
        new Thread(task).start();
    }
}