CLH锁 、MCS锁

一。引文

1.1 SMP(Symmetric Multi-Processor)

对称多处理器结构，指服务器中多个CPU对称工作，每个CPU访问内存地址所需时间相同。其主要特征是共享，包含对CPU，内存，I/O等进行共享。

SMP能够保证内存一致性，但这些共享的资源很可能成为性能瓶颈，随着CPU数量的增加，每个CPU都要访问相同的内存资源，可能导致内存访问冲突，

可能会导致CPU资源的浪费。常用的PC机就属于这种。

1.2 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，

访问本地内存的速度将远远高于访问远地内存(系统内其它节点的内存)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。

二。CLH

CLH(Craig, Landin, and Hagersten  locks): 是一个自旋锁，能确保无饥饿性，提供先来先服务的公平性。

CLH锁也是一种基于链表的可扩展、高性能、公平的自旋锁，申请线程只在本地变量上自旋，它不断轮询前驱的状态，如果发现前驱释放了锁就结束自旋。

当一个线程需要获取锁时：

1.创建一个的QNode，将其中的locked设置为true表示需要获取锁

2.线程对tail域调用getAndSet方法，使自己成为队列的尾部，同时获取一个指向其前趋结点的引用myPred

3.该线程就在前趋结点的locked字段上旋转，直到前趋结点释放锁

4.当一个线程需要释放锁时，将当前结点的locked域设置为false，同时回收前趋结点

　　如下图，线程A需要获取锁，其myNode域为true，tail指向线程A的结点，然后线程B也加入到线程A后面，tail指向线程B的结点。然后线程A和B

都在其myPred域上旋转，一旦它的myPred结点的locked字段变为false，它就可以获取锁。明显线程A的myPred locked域为false，此时线程A获取

到了锁。

三。CLH代码示例

public class CLHLock implements Lock {  
    AtomicReference<QNode> tail ;  
    ThreadLocal<QNode> myPred;  
    ThreadLocal<QNode> myNode;  
  
    public CLHLock() {  

         tail = new AtomicReference<QNode>(new QNode());  
        myNode = new ThreadLocal<QNode>() {  
            protected QNode initialValue() {  
                return new QNode();  
            }  
        };  
        myPred = new ThreadLocal<QNode>() {  
            protected QNode initialValue() {  
                return null;  
            }  
        };  
    }  
  
    @Override  
    public void lock() {  
        QNode qnode = myNode.get();  
        qnode.locked = true;  
        QNode pred = tail.getAndSet(qnode);  
        myPred.set(pred);  
        while (pred.locked) {  
        }  
    }  
  
    @Override  
    public void unlock() {  
        QNode qnode = myNode.get();  
        qnode.locked = false;  
        myNode.set(myPred.get());  
    }  
}

 

四。CLH分析

CLH队列锁的优点是空间复杂度低（如果有n个线程，L个锁，每个线程每次只获取一个锁，那么需要的存储空间是O（L+n），n个线程有n个

myNode，L个锁有L个tail），CLH的一种变体被应用在了JAVA并发框架中(AbstractQueuedSynchronizer.Node)。CLH在SMP系统结构下

该法是非常有效的。但在NUMA系统结构下，每个线程有自己的内存，如果前趋结点的内存位置比较远，自旋判断前趋结点的locked域，性能

将大打折扣，一种解决NUMA系统结构的思路是MCS队列锁。

五。MCS

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队列锁的具体实现如下：

a. 队列初始化时没有结点，tail=null

b. 线程A想要获取锁，于是将自己置于队尾，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。且B和C现在没有获取锁，处于等待状态，所以它们的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

六。代码实现

public class MCSLock implements Lock {
    AtomicReference<QNode> tail;
    ThreadLocal<QNode> myNode;

    @Override
    public void lock() {
        tail = new AtomicReference<QNode>(new QNode());  
        QNode qnode = myNode.get();
        QNode pred = tail.getAndSet(qnode);
        if (pred != null) {
            qnode.locked = true;
            pred.next = qnode;

            // wait until predecessor gives up the lock
            while (qnode.locked) {
            }
        }
    }

    @Override
    public void unlock() {
        QNode qnode = myNode.get();
        if (qnode.next == null) {
            if (tail.compareAndSet(qnode, null))
                return;
            
            // wait until predecessor fills in its next field
            while (qnode.next == null) {
            }
        }
        qnode.next.locked = false;
        qnode.next = null;
    }

    class QNode {
        boolean locked = false;
        QNode next = null;
    }
}