在聊聊高并发（六）实现几种自旋锁（一） 这篇中实现了两种基本的自旋锁：TASLock和TTASLock，它们的问题是会进行频繁的CAS操作，引发大量的缓存一致性流量，导致锁的性能不好。
对TTASLock的一种改进是BackoffLock，它会在锁高争用的情况下对线程进行回退，减少竞争，减少缓存一致性流量。但是BackoffLock有三个主要的问题：
1. 还是有大量的缓存一致性流量，因为所有线程在同一个共享变量上旋转，每一次成功的获取锁都会产生缓存一致性流量
2. 因为回退的存在，不能及时获取锁释放的信息，存在一个时间差，导致获取锁的时间变长
3. 不能保证无饥饿，有的线程可能一直无法获取锁
这篇会实现2种基于队列的锁，来解决上面提到的三个问题。主要的思路是将线程组织成一个队列，有4个优点：
1. 每个线程只需要检查它的前驱线程的状态，将自旋的变量从一个分散到多个，减少缓存一致性流量
2. 可以即使获取锁释放的通知
3. 队列提供了先来先服务的公平性
4. 无饥饿，队列中的每个线程都能保证被执行到
队列锁分为两类，一类是基于有界队列，一类是基于无界队列。
先看一下基于有界队列的队列锁。 ArrayLock有3个特点：
1. 基于一个volatile数组来组织线程
2. 通过一个原子变量tail来表示对尾线程
3. 通过一个ThreadLocal变量给每个线程一个索引号，表示它位于队列的哪个位置。
package com.test.lock;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
/**
* 有界队列锁，使用一个volatile数组来组织线程
* 缺点是得预先知道线程的规模n，所有线程获取同一个锁的次数不能超过n
* 假设L把锁，那么锁的空间复杂度为O(Ln)
* **/
public class ArrayLock implements Lock{
// 使用volatile数组来存放锁标志， flags[i] = true表示可以获得锁
private volatile boolean[] flags;
// 指向新加入的节点的后一个位置
private AtomicInteger tail;
// 总容量
private final int capacity;
private ThreadLocal<Integer> mySlotIndex = new ThreadLocal<Integer>(){
protected Integer initialValue() {
return 0;
}
};
public ArrayLock(int capacity){
this.capacity = capacity;
flags = new boolean[capacity];
tail = new AtomicInteger(0);
// 默认第一个位置可获得锁
flags[0] = true;
}
@Override
public void lock() {
int slot = tail.getAndIncrement() % capacity;
mySlotIndex.set(slot);
// flags[slot] == true 表示获得了锁， volatile变量保证锁释放及时通知
while(!flags[slot]){
}
}
@Override
public void unlock() {
int slot = mySlotIndex.get();
flags[slot] = false;
flags[(slot + 1) % capacity] = true;
}
<pre name="code" class="java">
public String toString(){
return "ArrayLock";
}
}
我们可以看到有界队列锁的缺点是：
1. 它必须知道线程的规模数，对于同一把锁如果线程获取的次数超过了n会出现线程状态被覆盖的问题
2. 空间复杂度是O(Ln)
3. 对于共享的volatile数组来保存线程获取锁的状态，仍然可能存在缓存一致性。我们知道CPU读取一次内存时，会读满数据总线的位长，比如64位总线，一次读取64位长度的数据。那么对于boolean类型的数组，boolean长度是1个字节，那么一次读取能读到8个boolean变量，而高速缓存的一个缓存块的长度也是64位，也就是说一个缓存块上可以保存8个boolean变量，所以如果一次CAS操作修改了一个变量导致一个缓存块无效，它实际上可能导致8个变量失效。
解决办法是把变量以8个长度为单位分散，比如flag[0] = thread1 flag[8] = thread2。这样的问题是消耗的空间更大。
无界队列锁可以克服有界队列锁的几个问题。
1. 它使用链表来代替数组，实现无界队列
2. 使用两个ThreadLocal变量表示指针，一个指向自己的节点，一个指向前一个节点
3. 使用一个原子引用变量指向队尾
4. 空间复杂度降低，如果有L把锁，n个线程，每个线程只获取一把锁，那么空间复杂度为O(L + n)
5. 对同一个锁，一个线程可以多次获取而不增加空间复杂度
6. 当线程结束后，GC会自动回收内存
package com.test.lock;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
/**
* 无界队列锁，使用一个链表来组织线程
* 假设L把锁，n个线程，那么锁的空间复杂度为O(L+n)
* **/
public class CLHLock implements Lock{
// 原子变量指向队尾
private AtomicReference<QNode> tail;
// 两个指针，一个指向自己的Node,一个指向前一个Node
ThreadLocal<QNode> myNode;
ThreadLocal<QNode> myPreNode;
public CLHLock(){
tail = new AtomicReference<QNode>(new QNode());
myNode = new ThreadLocal<QNode>(){
protected QNode initialValue(){
return new QNode();
}
};
myPreNode = new ThreadLocal<QNode>(){
protected QNode initialValue(){
return null;
}
};
}
@Override
public void lock() {
QNode node = myNode.get();
node.lock = true;
// CAS原子操作，保证原子性
QNode preNode = tail.getAndSet(node);
myPreNode.set(preNode);
// volatile变量，能保证锁释放及时通知
// 只对前一个节点的状态自旋，减少缓存一致性流量
while(preNode.lock){
}
}
@Override
public void unlock() {
QNode node = myNode.get();
node.lock = false;
// 把myNode指向preNode，目的是保证同一个线程下次还能使用这个锁，因为myNode原来指向的节点有它的后一个节点的preNode引用
// 防止这个线程下次lock时myNode.get获得原来的节点
myNode.set(myPreNode.get());
}
public static class QNode {
volatile boolean lock;
}
public String toString(){
return "CLHLock";
}
}
下面我们从正确性和平均获取锁的时间上来测试这两种锁。
我们设计一个测试用例来验证正确性： 使用50个线程对一个volatile变量++操作，由于volatile变量++操作不是原子的，在不加锁的情况下，可能同时有多个线程同时对voaltile变量++, 最终的结果是无法预测的。然后使用这两种锁，先获取锁再volatile变量++，由于volatile变量会防止重排序，并能保证可见性，我们可以确定如果锁是正确获取的，也就是说同一时刻只有一个线程对volatile变量++,那么结果肯定是顺序的1到50。
先看不加锁的情况
package com.test.lock;
public class Main {
//private static Lock lock = new ArrayLock(150);
private static Lock lock = new CLHLock();
//private static TimeCost timeCost = new TimeCost(new TTASLock());
private static volatile int value = 0;
public static void method(){
//lock.lock();
System.out.println("Value: " + ++value);
//lock.unlock();
}
public static void main(String[] args) {
for(int i = 0; i < 50; i ++){
Thread t = new Thread(new Runnable(){
@Override
public void run() {
method();
}
});
t.start();
}
}
}
运行结果： 我们可以看到确实是发生的线程同时对volatile变量++的操作，结果是无法预料的
Value: 1 Value: 1 Value: 2 Value: 3 Value: 4 Value: 5 Value: 6 Value: 7 Value: 8 Value: 9 Value: 10 Value: 11 Value: 13 Value: 12 Value: 14 Value: 15 Value: 16 Value: 17 Value: 18 Value: 19 Value: 20 Value: 21 Value: 22 Value: 23 Value: 24 Value: 25 Value: 26 Value: 27 Value: 28 Value: 29 Value: 30 Value: 31 Value: 32 Value: 33 Value: 34 Value: 35 Value: 36 Value: 37 Value: 38 Value: 37 Value: 39 Value: 40 Value: 41 Value: 42 Value: 43 Value: 44 Value: 45 Value: 46 Value: 47 Value: 48 Value: 50
使用有界队列锁：
package com.test.lock;
public class Main {
private static Lock lock = new ArrayLock(100);
//private static Lock lock = new CLHLock();
//private static TimeCost timeCost = new TimeCost(new TTASLock());
private static volatile int value = 0;
public static void method(){
lock.lock();
System.out.println("Value: " + ++value);
lock.unlock();
}
public static void main(String[] args) {
for(int i = 0; i < 50; i ++){
Thread t = new Thread(new Runnable(){
@Override
public void run() {
method();
}
});
t.start();
}
}
}
运行结果是1到50的顺序自增，说明锁保证了同一时刻只有一个线程在对volatile变量++，是正确的
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使用无界队列锁的情况也是正确的，由于篇幅原因这里就不帖代码了。
再看平均获取锁的时间。
package com.test.lock;
public class Main {
private static Lock lock = new TimeCost(new CLHLock());
//private static Lock lock = new CLHLock();
//private static TimeCost timeCost = new TimeCost(new TTASLock());
private static volatile int value = 0;
public static void method(){
lock.lock();
//System.out.println("Value: " + ++value);
lock.unlock();
}
public static void main(String[] args) {
for(int i = 0; i < 100; i ++){
Thread t = new Thread(new Runnable(){
@Override
public void run() {
method();
}
});
t.start();
}
}
}
在100个线程并发的情况下，
ArrayLock获取锁的平均时间是： 719550 ns
CLHLock获取锁的平均时间是： 488577 ns
可以看到，队列锁在使用多个共享变量自旋的情况下，减少了一致性流量，比TASLock和TTASLock 提高了程序的性能。而CLHLock比ArrayLock有更好的扩展性和性能，是一种很好的自旋锁实现。