自旋队列锁

1、自旋锁简介

     自旋锁是为保护共享资源而提出一种锁机制。自旋锁与互斥锁比较类似，都是为了解决对某项资源的互斥使用。无论是互斥锁，还是自旋锁，在任何时刻，最多只能有一个保持者，也就说，在任何时刻最多只能有一个执行单元获得锁。但是两者在调度机制上略有不同。对于互斥锁，如果资源已经被占用，资源申请者只能进入睡眠状态。但是自旋锁不会引起调用者睡眠，如果自旋锁已经被别的执行单元保持，调用者就一直循环在那里看是否该自旋锁的保持者已经释放了锁，"自旋"一词就是因此而得名。

     自旋锁比较适用于锁使用者保持锁时间比较短的情况。正是由于自旋锁使用者一般保持锁时间非常短，因此选择自旋而不是睡眠是非常必要的，自旋锁的效率远高于互斥锁。信号量和读写信号量适合于保持时间较长的情况，它们会导致调用者睡眠，因此只能在进程上下文使用，而自旋锁适合于保持时间非常短的情况，它可以在任何上下文使用。如果被保护的共享资源只在进程上下文访问，使用信号量保护该共享资源非常合适，如果对共享资源的访问时间非常短，自旋锁也可以。但是如果被保护的共享资源需要在中断上下文访问（包括底半部即中断处理句柄和顶半部即软中断），就必须使用自旋锁。自旋锁保持期间是抢占失效的，而信号量和读写信号量保持期间是可以被抢占的。自旋锁只有在内核可抢占或SMP（多处理器）的情况下才真正需要，在单CPU且不可抢占的内核下，自旋锁的所有操作都是空操作。另外格外注意一点：自旋锁不能递归使用。
         cache一致性流量是指所有线程都在同一个共享存储单元上旋转，当执行一些原子操作的时候会导致其他线程该变量的cache副本失效，所以其他线程发生一次cache缺失，重新读值所引起的总线流量。

2、ArrayLock

public class ArrayLock implements Lock {    private AtomicBoolean[] flag;    private int size;    private AtomicInteger tail = new AtomicInteger(0);    ThreadLocal<Integer> mIdx = new ThreadLocal<Integer>() {        @Override        protected Integer initialValue() {            return 0;        }    };    public ArrayLock(int size) {        if (size <= 0) {            throw new IllegalArgumentException("size <= 0");        }        flag = new AtomicBoolean[size];        for (int i = 0; i < size; i++) {            flag[i] = new AtomicBoolean(false);        }        this.size = size;        flag[0].set(true);    }    @Override    public void lock() {        int idx = tail.getAndIncrement() % size;        mIdx.set(idx);        while (!flag[idx].compareAndSet(true, false)) {        }    }    @Override    public void unlock() {        int idx = mIdx.get();        flag[(idx + 1)%size].set(true);        mIdx.set(0);    }}

     一个简单的环形数组锁，当ArrayLock初始化的时候，会初始化一个size大小的AtomicBoolean数组，为了防止过多的线程在一个存储单元上自旋，导致增加cache一致性流量。当lock的时候会给当前节点分配一个下标，在下标%size对应位置的AtomicBoolean上自旋，如果有上一个节点释放锁后，cas操作成功则可以进入临界区。unlock的时候，会将flag中下个AtomicBoolean设置为true，通知下个节点可以进入临界区了。多个节点可能对应flag中的一个slot，在这个slot被设置为true的时候，多个节点开始抢占，抢占成功的就可以进入临界区。如果多个一个slot上对应多个节点还是会增加cache一致性流量，所以还是要预测size的大小，保证每个slot上对应的节点数尽可能的小，而又不浪费flag中的空间。

3、CLHLoc

       CLHLock是一个自旋锁。CLHLock有一个隐式的链表，链表中的节点都只有指向前驱的指针，而没有指向后继的指针。通过对该链表中最后一个元素进行CAS操作来保证并发访问的安全。

public class CLHLock implements Lock {    public static final int FREE = 1;    public static final int WAITING = 1 << 1;    public static final int RELEASED = 1 << 2;    public AtomicReference<Node> tail = new AtomicReference<Node>();    ThreadLocal<Node> threadLocal = new ThreadLocal<Node>() {        @Override        protected Node initialValue() {            Node n = new Node();            return n;        }    };    public void lock() {        Node cur = threadLocal.get();        cur.state = WAITING;        Node prev = tail.getAndSet(cur);        if (prev != null) {            cur.prev = prev;            while (prev.state == WAITING) {            }        }    }    public void unlock() {        Node cur = threadLocal.get();        cur.state = RELEASED;    }    static class Node {        Node prev;        volatile int state = FREE;    }}

    代码中定义了一个原子变量tail，tail可以保证并发访问的时候能够安全的替换tail并且得到当前tail所指向节点的引用prev，将prev设置为当前节点cur的前驱，并且在prev的state上自旋，如果prev的state不为WAITING，那么就解除自旋，执行临界区的代码。释放锁的操作也比较简单，将当前节点的state设置为RELEASED即可。

CLHLock的优点：
1、空间复杂度低，O(L+n)，L个锁，n个节点。

2、是公平锁。

3、每个线程在不同的存储单元上自旋，减少了cache一致性流量。

CLHLock的缺点：

在NUMA架构下性能会很差，因为不同的存储单元有可能内存位置较远。

4、MCSLock

public class MCSLock implements Lock {    public static final int FREE = 1;    public static final int WAITING = 1 << 1;    public static final int SINGAL = 1 << 2;    public AtomicReference<Node> tail = new AtomicReference<Node>();    ThreadLocal<Node> mNode = new ThreadLocal<Node>() {        @Override        protected Node initialValue() {            Node n = new Node();            return n;        }    };    public void lock() {        Node cur = mNode.get();        Node prev = tail.getAndSet(cur);        if (prev != null) {            cur.state = WAITING;            prev.next = cur;            while (cur.state == WAITING) {            }        }    }    public void unlock() {        Node cur = mNode.get();        Node next = cur.next;        if (next == null) {            if (tail.compareAndSet(cur, null)) {                return;            }            while (cur.next == null) {}        }        next.state = SINGAL;        cur.state = FREE;        cur.next = null;    }    static class Node {        Node next;        volatile int state  = FREE;    }}

       MCSLock和CLHLock的区别在于，MCSLock的链表是显式的，每个节点都有next指针指向下一个节点。在获得锁的时候首先会先得到该节点的前驱节点，如果为空，则直接进入临界区。非空则将节点插入等待队列尾部，并且在当前节点的state上自旋。解锁的时候，会先判断当前节点的后继是否为空，如果为空则尝试将tail设置为空，成功则证明MCSLock的等待队列为空，可以直接退出。如果设置tail失败，则证明在这段时间内又有新的节点加入等待队列当中，继续执行下面的操作。接下来就是等待队列中有节点的情况，获得当前节点的后继节点，设置其state为SINGAL，通知其停止自旋，进入临界区执行代码。回收节点。

MCSLock的优点：

1、每个节点都在自己的存储单元上自旋，所以在NUMA架构上表现的也非常好。

2、空间复杂度和CLHLock一样。

MCSLock的缺点：

调用CAS、读、写操作比CLHLock多。

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