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資訊專欄INFORMATION COLUMN

克雷格.蘭丁&hagersten (CLH Lock)

roundstones / 3438人閱讀

摘要:是獨占式鎖的一種,并且是不可重入的鎖,這篇文章是對鎖源代碼分析的預(yù)熱篇

CLH Lock摘要

CLH lock is Craig, Landin, and Hagersten (CLH) locks, CLH lock is a spin lock, can ensure no hunger, provide fairness first come first service.
The CLH lock is a scalable, high performance, fairness and spin lock based on the list, the application thread spin only on a local variable, it constantly polling the precursor state, if it is found that the pre release lock end spin.

CLH鎖是自旋鎖的一種,對它的研究是因為AQS源代碼中使用了CLH鎖的一個變種,為了更好的理解AQS中使用鎖的思想,所以決定先好好理解CLH鎖

Java代碼實現(xiàn)
public class ClhSpinLock implements Lock{
    private final ThreadLocal prev;
    private final ThreadLocal node;
    private final AtomicReference tail = new AtomicReference(new Node());

    public ClhSpinLock() {
        this.node = new ThreadLocal() {
            protected Node initialValue() {
                return new Node();
            }
        };

        this.prev = new ThreadLocal() {
            protected Node initialValue() {
                return null;
            }
        };
    }

    /**
     * 1.初始狀態(tài) tail指向一個node(head)節(jié)點 
     * +------+ 
     * | head | <---- tail 
     * +------+
     * 
     * 2.lock-thread加入等待隊列: tail指向新的Node,同時Prev指向tail之前指向的節(jié)點
     * +----------+
     * | Thread-A |
     * | := Node  | <---- tail
     * | := Prev  | -----> +------+
     * +----------+        | head |
     *                     +------+ 
     * 
     *             +----------+            +----------+
     *             | Thread-B |            | Thread-A |
     * tail ---->  | := Node  |     -->    | := Node  | 
     *             | := Prev  | ----|      | := Prev  | ----->  +------+
     *             +----------+            +----------+         | head |
     *                                                          +------+ 
     * 3.尋找當前node的prev-node然后開始自旋
     * 
     */
    public void lock() {
        final Node node = this.node.get();
        node.locked = true;
        Node pred = this.tail.getAndSet(node);
        this.prev.set(pred);
        // 自旋
        while (pred.locked);
    }

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

    @Override
    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
        // TODO Auto-generated method stub
        
    }

    @Override
    public boolean tryLock() {
        // TODO Auto-generated method stub
        return false;
    }

    @Override
    public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
        // TODO Auto-generated method stub
        return false;
    }

    @Override
    public Condition newCondition() {
        // TODO Auto-generated method stub
        return null;
    }
    
    private static class Node {
        private volatile boolean locked;
    }
}

簡單的看一下CLH的算法定義

the list, the application thread spin only on a local variable, it constantly polling the precursor state, if it is found that the pre release lock end spin.

基于list,線程僅在一個局部變量上自旋,它不斷輪詢前一個節(jié)點狀態(tài),如果發(fā)現(xiàn)前一個節(jié)點釋放鎖結(jié)束.

所以在java中使用了ThreadLocal作為具體實現(xiàn),AtomicReference為了消除多個線程并發(fā)對tail引用Node的影響,核心方法lock()中分為3個步驟去實現(xiàn)

初始狀態(tài) tail指向一個node(head)節(jié)點

private final AtomicReference tail = new AtomicReference(new Node());

thread加入等待隊列: tail指向新的Node,同時Prev指向tail之前指向的節(jié)點,在java代碼中使用了getAndSet即CAS操作使用

Node pred = this.tail.getAndSet(node);
this.prev.set(pred);

尋找當前線程對應(yīng)的node的前驅(qū)node然后開始自旋前驅(qū)node的status判斷是否可以獲取lock

while (pred.locked);

同理unlock()方法,獲取當前線程的node,設(shè)置lock status,將當前node指向前驅(qū)node(這樣操作tail指向的就是前驅(qū)node等同于出隊操作).至此CLH Lock的過程就結(jié)束了

測試ClhSpinLock
public class LockTest {
    static int count = 0;
    
    public static void testLock(Lock lock) {
        try {
            lock.lock();
            for (int i = 0; i < 10000000; i++) ++count;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
        final ClhSpinLock clh = new ClhSpinLock();
        final CyclicBarrier cb = new CyclicBarrier(10, new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(count);
            }
        });
        
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    testLock(clh);
                    // 這段代碼是非lock比較使用
//                    for (int i = 0; i < 10000000; i++)
//                        count++;
                    try {
                        cb.await();
                    } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }).start();
        }
    }
}

測試代碼使用了CyclicBarrier輔助當所有子線程完成后輸出static變量count的值
結(jié)果發(fā)現(xiàn)輸出的值和預(yù)期一樣,CLH Lock完成了獨占式鎖的功能

小結(jié)

CLH Lock是一種比較簡單的自旋鎖算法之一,因為鎖的CAS操作涉及到了硬件的鎖定(鎖總線或者是鎖內(nèi)存)所以性能和CPU架構(gòu)也密不可分,該興趣的同學(xué)可以繼續(xù)深入研究包括MCS鎖等。CLH Lock是獨占式鎖的一種,并且是不可重入的鎖,這篇文章是對AQS鎖源代碼分析的預(yù)熱篇

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