併發系列（3）之 CLH、MCS 隊列鎖簡介

這篇博客主要是做爲 AbstractQueuedSynchronizer 的背景知識介紹；平時接觸也很是的少，若是你不感興趣能夠跳過；可是瞭解一下能更加的清楚 AQS 的設計思路；

1、自旋鎖簡介

一般狀況下解決多線程共享資源邏輯一致性問題有兩種方式：

• 互斥鎖：當發現資源被佔用的時候，會阻塞本身直到資源解除佔用，而後再次嘗試獲取；
• 自旋鎖：當發現佔用時，一直嘗試獲取鎖（線程沒有被掛起的過程，也就沒有線程調度切換的消耗）；

對於這兩種方式沒有優劣之分，只有是否適合當前的場景；具體的對比就不在繼續深刻了，若是你很感興趣能夠查看 《多處理器編程的藝術》 提取碼：rznn ；

可是若是競爭很是激烈的時候，使用自旋鎖就會產生一些額外的問題：

• 可能致使一些線程始終沒法獲取鎖（爭搶的時候必然是當前活躍線程得到鎖的概率大），也就是飢餓現象；
• 由於自旋鎖會依賴一個共享的鎖標識，因此競爭激烈的時候，鎖標識的同步也須要消耗大量的資源；
• 若是要用自旋鎖實現公平鎖（即先到先獲取），此時就還須要額外的變量，也會比較麻煩；

解決這些問題其中的一種辦法就是使用隊列鎖，簡單來說就是讓這些線程排隊獲取；下面咱們介紹經常使用的兩種，即 CLH 鎖 和 MCS 鎖；

2、CLH 鎖

CLH 是 Craig、Landin 和 Hagersten 三位做者的縮寫，具體內容在 《Building FIFO and Priority-Queuing Spin Locks from Atomic Swap》 論文中有詳細介紹，你們能夠自行查看；咱們 JDK 中 java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer 就是根據 CLH 鎖的變種實現的；

簡單實現：

public class CLH implements Lock {
  private final ThreadLocal<Node> preNode = ThreadLocal.withInitial(() -> null);
  private final ThreadLocal<Node> node = ThreadLocal.withInitial(Node::new);
  private final AtomicReference<Node> tail = new AtomicReference<>(new Node());

  private static class Node {
    private volatile boolean locked;
  }

  @Override
  public void lock() {
    final Node node = this.node.get();
    node.locked = true;
    Node pre = this.tail.getAndSet(node);
    this.preNode.set(pre);
    while (pre.locked) ;
  }

  @Override
  public void unlock() {
    final Node node = this.node.get();
    node.locked = false;
    this.node.set(this.preNode.get());
  }
}

3、MCS 鎖

一樣 MCS 是 John M. Mellor-Crummey 和 Michael L. Scott 名字的縮寫，具體內容能夠在 《Algorithms for Scalable Synchronization on Shared-Memory Multiprocessors》 論文中查看；

簡單實現：

public class MCS implements Lock {
  private final ThreadLocal<Node> node = ThreadLocal.withInitial(Node::new);
  private final AtomicReference<Node> tail = new AtomicReference<>();

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

  @Override
  public void lock() {
    Node node = this.node.get();
    node.locked = true;
    Node pre = tail.getAndSet(node);
    if (pre != null) {
      pre.next = node;
      while (node.locked) ;
    }
  }

  @Override
  public void unlock() {
    Node node = this.node.get();
    if (node.next == null) {
      if (tail.compareAndSet(node, null)) {
        return;
      }
      while (node.next == null) ;
    }
    node.next.locked = false;
    node.next = null;
  }
}

總結

• 以上的代碼我已經測試過，你們能夠直接拿下來自行實驗；
• CLH 鎖和 MCS 鎖區別主要有兩點：1. 鏈表結構的區別；2. 自旋對象的區別，CLH 是在前驅節點上自旋，而 MCS 是在自身節點上自旋；這裏第二點纔是最重要的，主要體如今 SMP(Symmetric Multi-Processor) 和 NUMA(Non-Uniform Memory Access) 不一樣的處理器架構上；這裏你們能夠自行 Google；