自旋鎖、排隊自旋鎖、MCS鎖、CLH鎖

源：http://coderbee.net/index.php/concurrent/20131115/577/comment-page-1
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自旋鎖（Spin lock）

自旋鎖是指當一個線程嘗試獲取某個鎖時，如果該鎖已被其他線程佔用，就一直循環檢測鎖是否被釋放，而不是進入線程掛起或睡眠狀態。

自旋鎖適用於鎖保護的臨界區很小的情況，臨界區很小的話，鎖佔用的時間就很短。
簡單的實現

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

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

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

// 如果鎖未被佔用，則設置當前線程爲鎖的擁有者
while (owner.compareAndSet(null, currentThread)) {
}
}

public void unlock() {
Thread currentThread = Thread.currentThread();

// 只有鎖的擁有者才能釋放鎖
owner.compareAndSet(currentThread, null);
}
}

SimpleSpinLock裏有一個owner屬性持有鎖當前擁有者的線程的引用，如果該引用爲null，則表示鎖未被佔用，不爲null則被佔用。

這裏用AtomicReference是爲了使用它的原子性的compareAndSet方法（CAS操作），解決了多線程併發操作導致數據不一致的問題，確保其他線程可以看到鎖的真實狀態。
缺點

CAS操作需要硬件的配合；
保證各個CPU的緩存（L1、L2、L3、跨CPU Socket、主存）的數據一致性，通訊開銷很大，在多處理器系統上更嚴重；
沒法保證公平性，不保證等待進程/線程按照FIFO順序獲得鎖。

Ticket Lock

Ticket Lock 是爲了解決上面的公平性問題，類似於現實中銀行櫃檯的排隊叫號：鎖擁有一個服務號，表示正在服務的線程，還有一個排隊號；每個線程嘗試獲取鎖之前先拿一個排隊號，然後不斷輪詢鎖的當前服務號是否是自己的排隊號，如果是，則表示自己擁有了鎖，不是則繼續輪詢。

當線程釋放鎖時，將服務號加1，這樣下一個線程看到這個變化，就退出自旋。
簡單的實現

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class TicketLock {
private AtomicInteger serviceNum = new AtomicInteger(); // 服務號
private AtomicInteger ticketNum = new AtomicInteger(); // 排隊號

public int lock() {
// 首先原子性地獲得一個排隊號
int myTicketNum = ticketNum.getAndIncrement();

// 只要當前服務號不是自己的就不斷輪詢
while (serviceNum.get() != myTicketNum) {
}

return myTicketNum;
}

public void unlock(int myTicket) {
// 只有當前線程擁有者才能釋放鎖
int next = myTicket + 1;
serviceNum.compareAndSet(myTicket, next);
}
}

缺點

Ticket Lock 雖然解決了公平性的問題，但是多處理器系統上，每個進程/線程佔用的處理器都在讀寫同一個變量serviceNum ，每次讀寫操作都必須在多個處理器緩存之間進行緩存同步，這會導致繁重的系統總線和內存的流量，大大降低系統整體的性能。

下面介紹的CLH鎖和MCS鎖都是爲了解決這個問題的。

MCS 來自於其發明人名字的首字母： John Mellor-Crummey和Michael Scott。

CLH的發明人是：Craig，Landin and Hagersten。
MCS鎖

MCS Spinlock 是一種基於鏈表的可擴展、高性能、公平的自旋鎖，申請線程只在本地變量上自旋，直接前驅負責通知其結束自旋，從而極大地減少了不必要的處理器緩存同步的次數，降低了總線和內存的開銷。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReferenceFieldUpdater;

public class MCSLock {
public static class MCSNode {
volatile MCSNode next;
volatile boolean isBlock = true; // 默認是在等待鎖
}

volatile MCSNode queue;// 指向最後一個申請鎖的MCSNode
private static final AtomicReferenceFieldUpdater UPDATER = AtomicReferenceFieldUpdater
.newUpdater(MCSLock.class, MCSNode.class, "queue");

public void lock(MCSNode currentThread) {
MCSNode predecessor = UPDATER.getAndSet(this, currentThread);// step 1
if (predecessor != null) {
predecessor.next = currentThread;// step 2

while (currentThread.isBlock) {// step 3
}
} [b]else {
currentThread.isBlock = false;
}[/b]
}

public void unlock(MCSNode currentThread) {
if (currentThread.isBlock) {// 鎖擁有者進行釋放鎖纔有意義
return;
}

if (currentThread.next == null) {// 檢查是否有人排在自己後面
if (UPDATER.compareAndSet(this, currentThread, null)) {// step 4
// compareAndSet返回true表示確實沒有人排在自己後面
return;
} else {
// 突然有人排在自己後面了，可能還不知道是誰，下面是等待後續者
// 這裏之所以要忙等是因爲：step 1執行完後，step 2可能還沒執行完
while (currentThread.next == null) { // step 5
}
}
}

currentThread.next.isBlock = false;
currentThread.next = null;// for GC
}
}

CLH鎖

CLH鎖也是一種基於鏈表的可擴展、高性能、公平的自旋鎖，申請線程只在本地變量上自旋，它不斷輪詢前驅的狀態，如果發現前驅釋放了鎖就結束自旋。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReferenceFieldUpdater;

public class CLHLock {
public static class CLHNode {
private boolean isLocked = true; // 默認是在等待鎖
}

@SuppressWarnings("unused" )
private volatile CLHNode tail ;
private static final AtomicReferenceFieldUpdater<CLHLock, CLHNode> UPDATER = AtomicReferenceFieldUpdater
. newUpdater(CLHLock.class, CLHNode .class , "tail" );

public void lock(CLHNode currentThread) {
CLHNode preNode = UPDATER.getAndSet( this, currentThread);
if(preNode != null) {//已有線程佔用了鎖，進入自旋
while(preNode.isLocked ) {
}
}
}

public void unlock(CLHNode currentThread) {
// 如果隊列裏只有當前線程，則釋放對當前線程的引用（for GC）。
if (!UPDATER .compareAndSet(this, currentThread, null)) {
// 還有後續線程
currentThread. isLocked = false ;// 改變狀態，讓後續線程結束自旋
}
}
}

CLH鎖 與 MCS鎖 的比較
[img]http://coderbee.net/wp-content/uploads/2013/11/CLH-MCS-SpinLock.png[/img]
下圖是CLH鎖和MCS鎖隊列圖示：
CLH-MCS-SpinLock

差異：

從代碼實現來看，CLH比MCS要簡單得多。
從自旋的條件來看，CLH是在前驅節點的屬性上自旋，而MCS是在本地屬性變量上自旋。
從鏈表隊列來看，CLH的隊列是隱式的，CLHNode並不實際持有下一個節點；MCS的隊列是物理存在的。
CLH鎖釋放時只需要改變自己的屬性，MCS鎖釋放則需要改變後繼節點的屬性。

注意：這裏實現的鎖都是獨佔的，且不能重入的。