从银行窗口业务办理来看锁的实现

今天咱们YY一个sitcom来讨论下几种锁的实现，欢迎列位看官批评指正^_^

你很着急，但是取号机叫号机都故障了

你打算办张招行信用卡，然后你决定利用午休的时间跑到公司楼下，文三路上的高新支行去（硬广强势植入^_^）。到了那边你发现，什么情况，取号机叫号机全都故障了，而且只剩一个窗口在服务。

怎么办呢？然后你发现大家用的最原始的方式，就靠抢，谁先跑到窗口前面谁就先办理业务（什么，你问他们为什么不排队？你见过挤公交排队的？）。因为你也很着急啊，待会还要赶回华星时代23楼上班呢^_^，咋办，抢呗。

代码描述

我们可以用自旋锁来描述上述的抢锁方式。

public class SpinLock {

private AtomicReference<Thread> owner = new AtomicReference<Thread>();

public void lock() {
Thread current = Thread.currentThread();

//// reentrant lock
if(owner.compareAndSet(current, current)) {
return;
}

while (!owner.compareAndSet(null, current)) {
//// 蜂拥而上没抢到，继续抢！
}
}

public void unlock() {
Thread current = Thread.currentThread();
owner.compareAndSet(current, null);
}

}

主要问题

无法保证公平性（野蛮人的社会有木有）

系统开销大（每个人都很累啊有木有）

取号机修复了，但是叫号机还有点问题

当你还在努力抢窗口的时候，取号机修复了，但是叫号机还有点问题，现在只能按一下开关展示一下当前正在服务的号码（读取成本略高）。不过至少公平性的问题现在能解决了。

于是乎，每个人开始去取号（取号还是抢，木有办法），然后每个人开始不耐烦的一直去按叫号机（大家都不熟，各管各的咯），看上去所有人都很着急。当然了你也按，也一直等着自己的号码。

代码描述

上述其实就是Ticket Lock的实现方式，

public class TicketLock {

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

public void lock() {
//// reentrant lock
if(LOCAL.get() != null) return;

int iTicket = ticketNum.getAndIncrement();
LOCAL.set(iTicket);

while (iTicket != serviceNum.get()) {
//// 狂按叫号机开关，直到看到是自己的号码
}
}

public void unlock() {
Integer iTicket = LOCAL.get();

//// unlock before lock
if(iTicket == null) return;

serviceNum.compareAndSet(iTicket, iTicket + 1);
}

}

主要问题

系统开销还是大（叫号机表示自己要被按挂了。。）

阿西吧，叫号机彻底挂了

果了个然，不一会，叫号机就被按挂了。。于是乎现在只剩取号机供取号排队了。

怎么办呢？这时候大厅经理想了个办法。取号的时候，大厅经理会把排在你前一位的同学的手机号码给你。然后告诉你，你就打电话给他去询问他业务办理的状况，他如果办好了就换你去。

于是乎，你就开始一直给那位同学打电话。。没办法，你着急啊。。当然了，那位同学肯定是被你烦得不行。

代码描述

这其实就是CLH锁的实现方式，

public class CLHLock {

private static class CLHNode {
volatile boolean blocked = true;
}

@SuppressWarnings("unused")
private volatile CLHNode tail;  // 最后一个申请锁的节点
private static final AtomicReferenceFieldUpdater TAIL = AtomicReferenceFieldUpdater
.newUpdater(CLHLock.class, CLHNode.class, "tail");

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

public void lock() {
//// reentrant lock
if(LOCAL.get() != null) return;

CLHNode current = new CLHNode();
LOCAL.set(current);

CLHNode predecessor = (CLHNode) TAIL.getAndSet(this, current);

if (predecessor != null) {

while (predecessor.blocked) {
//// 疯狂询问你的前一位同学是否已经结束
}

}
}

public void unlock() {
CLHNode current = LOCAL.get();

//// unlock before lock
if(current == null) return;

TAIL.compareAndSet(this, current, null);

//// 业务办理结束
current.blocked = false;

//        LOCAL.remove();
}
}

主要问题

依旧还是系统开销的问题，特别是在NUMA架构下（电话费很贵的啊喂）

纳尼，你被拉黑了

终于，你打了若干次电话后，人家把你拉黑了。然后你就跟大厅经理抱怨，于是乎他就想了另一个方法。在取号的时候，排在你前一位的同学将会收到你的手机号码，等他业务办理完之后会主动通知你。

于是乎你现在要做的就是一直盯着你的手机了。。

代码描述

这其实就是MCS锁的实现方式了，

public class MCSLock {

private static class MCSNode {
volatile MCSNode next;
volatile boolean blocked = true;
}

@SuppressWarnings("unused")
private volatile MCSNode tail;
private static final AtomicReferenceFieldUpdater TAIL = AtomicReferenceFieldUpdater
.newUpdater(MCSLock.class, MCSNode.class, "tail");

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

public void lock() {
//// reentrant lock
if(LOCAL.get() != null) return;

MCSNode current = new MCSNode();
LOCAL.set(current);

//// step1
MCSNode predecessor = (MCSNode) TAIL.getAndSet(this, current);

if (predecessor != null) {

//// step2
predecessor.next = current;

while (current.blocked) {
//// 一直盯着自己的手机，等待通知
}

} else {
current.blocked = false;
}
}

public void unlock() {
MCSNode current = LOCAL.get();

//// unlock before lock
if(current == null) return;

if (current.next == null) {
//// 你是最后一位了
if (TAIL.compareAndSet(this, current, null)) {
LOCAL.remove();
return;
}
//// step1+step2并非原子操作
else {
while (current.next == null) {}
}
}

//// 主动通知下一位同学
current.next.blocked = false;

current.next = null;
LOCAL.remove();
}

}

现在你不着急了

等着等着你发现，我去，已经两点了，你观察了一下，按照目前窗口的办理速度，至少还得半小时（竞争激烈，锁持有时间长），于是你给老板发了消息说明情况，半小时后回，老板表示OK。

所以你现在也没有那么着急了，既来之则安之，并且中午不睡下午崩溃嘛，于是你决定先小憩一会（进入休眠状态），也不盯着手机了，就等着待会被叫醒了。

代码描述

将MCS锁实现稍微修改一下，就可以实现上述的阻塞锁了。

public class MCSBlockingLock {

private static class MCSBlockingNode {
volatile MCSBlockingNode next;
volatile boolean blocked = true;
volatile Thread thread = Thread.currentThread(); // 该节点所属的线程
}

@SuppressWarnings("unused")
private volatile MCSBlockingNode tail;
private static final AtomicReferenceFieldUpdater TAIL = AtomicReferenceFieldUpdater
.newUpdater(MCSBlockingLock.class, MCSBlockingNode.class, "tail");

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

public void lock() {
//// reentrant lock
if(LOCAL.get() != null) return;

MCSBlockingNode current = new MCSBlockingNode();
LOCAL.set(current);

//// step1
MCSBlockingNode predecessor = (MCSBlockingNode) TAIL.getAndSet(this, current);

if (predecessor != null) {

//// step2
predecessor.next = current;

while (current.blocked) {
//// 睡一觉，等待通知
LockSupport.park(this);
}

} else {
current.blocked = false;
}
}

public void unlock() {
MCSBlockingNode current = LOCAL.get();

//// unlock before lock
if(current == null) return;

if (current.next == null) {
if (TAIL.compareAndSet(this, current, null)) {
LOCAL.remove();
return;
} else {
while (current.next == null) {}
}
}

//// 主动通知下一位同学
current.next.blocked = false;
LockSupport.unpark(current.next.thread);

current.next = null;
LOCAL.remove();
}
}

参考资料

http://gee.cs.oswego.edu/dl/papers/aqs.pdf

http://coderbee.net/index.php/concurrent/20131115/577

http://ifeve.com/java_lock_see2/