Java锁之自旋锁详解

锁作为并发共享数据，保证一致性的工具，在JAVA平台有多种实现(如 synchronized 和 ReentrantLock等等 ) 。这些已经写好提供的锁为我们开发提供了便利，但是锁的具体性质以及类型却很少被提及。本系列文章将分析JAVA下常见的锁名称以及特性，为大家答疑解惑。

1、自旋锁

自旋锁是采用让当前线程不停地的在循环体内执行实现的，当循环的条件被其他线程改变时 才能进入临界区。如下

public class SpinLock {

  private AtomicReference<Thread> sign =new AtomicReference<>();

  public void lock(){
    Thread current = Thread.currentThread();
    while(!sign .compareAndSet(null, current)){
    }
  }

  public void unlock (){
    Thread current = Thread.currentThread();
    sign .compareAndSet(current, null);
  }
}

使用了CAS原子操作，lock函数将owner设置为当前线程，并且预测原来的值为空。unlock函数将owner设置为null，并且预测值为当前线程。

当有第二个线程调用lock操作时由于owner值不为空，导致循环一直被执行，直至第一个线程调用unlock函数将owner设置为null，第二个线程才能进入临界区。

由于自旋锁只是将当前线程不停地执行循环体，不进行线程状态的改变，所以响应速度更快。但当线程数不停增加时，性能下降明显，因为每个线程都需要执行，占用CPU时间。如果线程竞争不激烈，并且保持锁的时间段。适合使用自旋锁。

注：该例子为非公平锁，获得锁的先后顺序，不会按照进入lock的先后顺序进行。

2.自旋锁的其他种类

上文我们讲到了自旋锁，在自旋锁中 另有三种常见的锁形式:TicketLock ，CLHlock 和MCSlock

Ticket锁主要解决的是访问顺序的问题，主要的问题是在多核cpu上:

package com.alipay.titan.dcc.dal.entity;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class TicketLock {
    private AtomicInteger                     serviceNum = new AtomicInteger();
    private AtomicInteger                     ticketNum  = new AtomicInteger();
    private static final ThreadLocal<Integer> LOCAL      = new ThreadLocal<Integer>();

    public void lock() {
        int myticket = ticketNum.getAndIncrement();
        LOCAL.set(myticket);
        while (myticket != serviceNum.get()) {
        }

    }

    public void unlock() {
        int myticket = LOCAL.get();
        serviceNum.compareAndSet(myticket, myticket + 1);
    }
}

每次都要查询一个serviceNum 服务号，影响性能（必须要到主内存读取，并阻止其他cpu修改）。

CLHLock 和MCSLock 则是两种类型相似的公平锁，采用链表的形式进行排序。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReferenceFieldUpdater;

public class CLHLock {
    public static class CLHNode {
        private volatile boolean isLocked = true;
    }

    @SuppressWarnings("unused")
    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() {
        CLHNode node = new CLHNode();
        LOCAL.set(node);
        CLHNode preNode = UPDATER.getAndSet(this, node);
        if (preNode != null) {
            while (preNode.isLocked) {
            }
            preNode = null;
            LOCAL.set(node);
        }
    }

    public void unlock() {
        CLHNode node = LOCAL.get();
        if (!UPDATER.compareAndSet(this, node, null)) {
            node.isLocked = false;
        }
        node = null;
    }
}

CLHlock是不停的查询前驱变量， 导致不适合在NUMA 架构下使用（在这种结构下，每个线程分布在不同的物理内存区域）

MCSLock则是对本地变量的节点进行循环。不存在CLHlock 的问题。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReferenceFieldUpdater;

public class MCSLock {
    public static class MCSNode {
        volatile MCSNode next;
        volatile boolean isLocked = true;
    }

    private static final ThreadLocal<MCSNode>                          NODE    = new ThreadLocal<MCSNode>();
    @SuppressWarnings("unused")
    private volatile MCSNode                                           queue;
    private static final AtomicReferenceFieldUpdater<MCSLock, MCSNode> UPDATER = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(MCSLock.class,
                                                                                   MCSNode.class, "queue");

    public void lock() {
        MCSNode currentNode = new MCSNode();
        NODE.set(currentNode);
        MCSNode preNode = UPDATER.getAndSet(this, currentNode);
        if (preNode != null) {
            preNode.next = currentNode;
            while (currentNode.isLocked) {

            }
        }
    }

    public void unlock() {
        MCSNode currentNode = NODE.get();
        if (currentNode.next == null) {
            if (UPDATER.compareAndSet(this, currentNode, null)) {

            } else {
                while (currentNode.next == null) {
                }
            }
        } else {
            currentNode.next.isLocked = false;
            currentNode.next = null;
        }
    }
}

从代码上 看，CLH 要比 MCS 更简单，

CLH 的队列是隐式的队列，没有真实的后继结点属性。

MCS 的队列是显式的队列，有真实的后继结点属性。

JUC ReentrantLock 默认内部使用的锁 即是 CLH锁（有很多改进的地方，将自旋锁换成了阻塞锁等等）。

（全文完）