阻塞锁与自旋锁

阻塞锁与自旋锁

在学习JAVA并发包的时候发现其底层的实现是通过AQS框架来完成的,而AQS框架中维护了一个CLH队列,CLH队列使用了CLH锁,因此上网搜了下这方面的内容,发现原来在并行编程中有这么多的锁类型,索性做个总结,此为本篇内容的缘由.

1. 阻塞锁

阻塞锁是指当线程尝试获取锁失败时,线程进入阻塞状态,直到接收信号后被唤醒.(线程的状态包括新建、就绪、运行、阻塞及死亡)在JAVA中,能够唤醒阻塞线程的操作包括Object.notify, Object.notifyAll, Condition.signal, LockSupport.unpark(JUC中引入)

阻塞锁的优点是在线程获取锁失败后,不会一直处于运行状态(占用CPU), 因此在竞争激烈的情况下, 阻塞锁的性能将明显优于自旋锁

2. 自旋锁

自旋锁的特性是,当线程尝试获取锁失败时(锁已经被其它线程占用了),它不会将线程切换为沉睡状态,而是开启无限循环,不断地轮询锁的状态(这也是“自旋”的来历),当锁状态被更改时,获取到锁并进入临界区.

自旋锁本身并没有关注公平性、可重入性等特性,另外,由于自旋锁的实现需要不断轮询锁的状态,因此需要占用CPU,适用于临界区时间很短的场景. 自旋锁又可进一步细分为排队自旋锁(TicketLock)、MCS锁以及CLH锁, 其中排队自旋锁解决的是公平性的问题

  • 排队自旋锁: 排队自旋锁关注的是公平性问题,每个线程在尝试获取锁的时候都会被分发唯一的一个号码,而锁本身提供了服务号服务,类似于现实生活中的排队叫号服务,每个线程都有个号码,锁对象每次叫一个号,拿到相应事情的线程获得锁. 排队自旋锁虽然解决了公平性问题,但由于所有的线程都在读写同一个变量(服务号),因此每一次读写操作都必须同步处理器缓存,会导致大量的总线流量

  • MCS锁:MCS锁采用了链表的形式对尝试获取锁失败的线程排队,MCS锁自旋的是自身的本地变量,它是显式的队列,有真实的后继节点.

  • CLH锁: CLH锁和MCS非常类似,但CLH锁自旋的是前驱节点的变量, 它是隐式的队列,没有真实的后继节点

关于自旋锁的实现代码可以参见这里

3. JUC中的相关实现

在java的并发包中,提供了LockSupport类,它提供了阻塞与唤醒的原语操作. 事实上,JUC中的AQS框架就是基于CLH队列实现,但是它还使用LockSupport类进行了改良,使原来的CLH自旋锁变成了阻塞锁. 使用LockSupport类实现CLH阻塞锁的代码可以参见这里

关于JUC中的AQS框架源码的分析,可以查看这里

参考文献

  1. CLH锁学习: http://googi.iteye.com/blog/1736570

  2. 自旋锁的比较与实现: http://coderbee.net/index.php/concurrent/20131115/577

  3. JAVA锁的系列文章: http://ifeve.com/java_lock_see1/

  4. MCS锁的文章: https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-mcsspinlock/

  5. JUC系列文章http://www.cnblogs.com/skywang12345/p/java_threads_category.html

示例代码

  1. 各种锁的实现示例: https://github.com/Essviv/spring/tree/master/src/main/java/com/cmcc/syw/concurrency/lock
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