Java锁之自旋锁详解

锁作为并发共享数据，保证一致性的工具，在JAVA平台有多种实现(如 synchronized 和 ReentrantLock等等 ) 。这些已经写好提供的锁为我们开发提供了便利，但是锁的具体性质以及类型却很少被提及。本系列文章将分析JAVA下常见的锁名称以及特性，为大家答疑解惑。

1、自旋锁

自旋锁是采用让当前线程不停地的在循环体内执行实现的，当循环的条件被其他线程改变时 才能进入临界区。如下

复制代码 代码如下:

public class SpinLock {
  private AtomicReference<Thread> sign =new AtomicReference<>();

  public void lock(){

    Thread current = Thread.currentThread();

    while(!sign .compareAndSet(null, current)){

    }

  }

  public void unlock (){

    Thread current = Thread.currentThread();

    sign .compareAndSet(current, null);

  }

}

使用了CAS原子操作，lock函数将owner设置为当前线程，并且预测原来的值为空。unlock函数将owner设置为null，并且预测值为当前线程。

当有第二个线程调用lock操作时由于owner值不为空，导致循环一直被执行，直至第一个线程调用unlock函数将owner设置为null，第二个线程才能进入临界区。

由于自旋锁只是将当前线程不停地执行循环体，不进行线程状态的改变，所以响应速度更快。但当线程数不停增加时，性能下降明显，因为每个线程都需要执行，占用CPU时间。如果线程竞争不激烈，并且保持锁的时间段。适合使用自旋锁。

注：该例子为非公平锁，获得锁的先后顺序，不会按照进入lock的先后顺序进行。

2.自旋锁的其他种类

上文我们讲到了自旋锁，在自旋锁中 另有三种常见的锁形式:TicketLock ，CLHlock 和MCSlock

Ticket锁主要解决的是访问顺序的问题，主要的问题是在多核cpu上:

复制代码 代码如下:

package com.alipay.titan.dcc.dal.entity;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class TicketLock {

    private AtomicInteger                     serviceNum = new AtomicInteger();

    private AtomicInteger                     ticketNum  = new AtomicInteger();

    private static final ThreadLocal<Integer> LOCAL      = new ThreadLocal<Integer>();

    public void lock() {

        int myticket = ticketNum.getAndIncrement();

        LOCAL.set(myticket);

        while (myticket != serviceNum.get()) {

        }

    }

    public void unlock() {

        int myticket = LOCAL.get();

        serviceNum.compareAndSet(myticket, myticket + 1);

    }

}

每次都要查询一个serviceNum 服务号，影响性能（必须要到主内存读取，并阻止其他cpu修改）。

CLHLock 和MCSLock 则是两种类型相似的公平锁，采用链表的形式进行排序。

复制代码 代码如下:

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReferenceFieldUpdater;
public class CLHLock {

    public static class CLHNode {

        private volatile boolean isLocked = true;

    }

    @SuppressWarnings("unused")

    private volatile CLHNode                                           tail;

    private static final ThreadLocal<CLHNode>                          LOCAL   = new ThreadLocal<CLHNode>();

    private static final AtomicReferenceFieldUpdater<CLHLock, CLHNode> UPDATER = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(CLHLock.class,

                                                                                   CLHNode.class, "tail");

    public void lock() {

        CLHNode node = new CLHNode();

        LOCAL.set(node);

        CLHNode preNode = UPDATER.getAndSet(this, node);

        if (preNode != null) {

            while (preNode.isLocked) {

            }

            preNode = null;

            LOCAL.set(node);

        }

    }

    public void unlock() {

        CLHNode node = LOCAL.get();

        if (!UPDATER.compareAndSet(this, node, null)) {

            node.isLocked = false;

        }

        node = null;

    }

}

CLHlock是不停的查询前驱变量， 导致不适合在NUMA 架构下使用（在这种结构下，每个线程分布在不同的物理内存区域）

MCSLock则是对本地变量的节点进行循环。不存在CLHlock 的问题。

复制代码 代码如下:

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReferenceFieldUpdater;
public class MCSLock {

    public static class MCSNode {

        volatile MCSNode next;

        volatile boolean isLocked = true;

    }

    private static final ThreadLocal<MCSNode>                          NODE    = new ThreadLocal<MCSNode>();

    @SuppressWarnings("unused")

    private volatile MCSNode                                           queue;

    private static final AtomicReferenceFieldUpdater<MCSLock, MCSNode> UPDATER = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(MCSLock.class,

                                                                                   MCSNode.class, "queue");

    public void lock() {

        MCSNode currentNode = new MCSNode();

        NODE.set(currentNode);

        MCSNode preNode = UPDATER.getAndSet(this, currentNode);

        if (preNode != null) {

            preNode.next = currentNode;

            while (currentNode.isLocked) {

            }

        }

    }

    public void unlock() {

        MCSNode currentNode = NODE.get();

        if (currentNode.next == null) {

            if (UPDATER.compareAndSet(this, currentNode, null)) {

            } else {

                while (currentNode.next == null) {

                }

            }

        } else {

            currentNode.next.isLocked = false;

            currentNode.next = null;

        }

    }

}

从代码上 看，CLH 要比 MCS 更简单，

CLH 的队列是隐式的队列，没有真实的后继结点属性。

MCS 的队列是显式的队列，有真实的后继结点属性。

JUC ReentrantLock 默认内部使用的锁 即是 CLH锁（有很多改进的地方，将自旋锁换成了阻塞锁等等）。