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「并发原理专题」AQS的技术体系之CLH、MCS锁的原理及实现

2021/8/21 15:29:07 浏览:

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。

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。

  1. 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();
    }
}

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