CLH鎖 、MCS鎖

一。引文

1.1 SMP(Symmetric Multi-Processor)

對稱多處理器結構，指服務器中多個CPU對稱工作，每個CPU訪問內存地址所需時間相同。其主要特征是共享，包含對CPU，內存，I/O等進行共享。

SMP能夠保證內存一致性，但這些共享的資源很可能成為性能瓶頸，隨着CPU數量的增加，每個CPU都要訪問相同的內存資源，可能導致內存訪問沖突，

可能會導致CPU資源的浪費。常用的PC機就屬於這種。

1.2 NUMA(Non-Uniform Memory Access)

非一致存儲訪問，將CPU分為CPU模塊，每個CPU模塊由多個CPU組成，並且具有獨立的本地內存、I/O槽口等，模塊之間可以通過互聯模塊相互訪問，

訪問本地內存的速度將遠遠高於訪問遠地內存(系統內其它節點的內存)的速度，這也是非一致存儲訪問的由來。NUMA較好地解決SMP的擴展問題，

當CPU數量增加時，因為訪問遠地內存的延時遠遠超過本地內存，系統性能無法線性增加。

 

二。CLH

CLH(Craig, Landin, and Hagersten  locks): 是一個自旋鎖，能確保無飢餓性，提供先來先服務的公平性。

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。

 

當一個線程需要獲取鎖時：

1.創建一個的QNode，將其中的locked設置為true表示需要獲取鎖

2.線程對tail域調用getAndSet方法，使自己成為隊列的尾部，同時獲取一個指向其前趨結點的引用myPred

3.該線程就在前趨結點的locked字段上旋轉，直到前趨結點釋放鎖

4.當一個線程需要釋放鎖時，將當前結點的locked域設置為false，同時回收前趨結點

　　如下圖，線程A需要獲取鎖，其myNode域為true，tail指向線程A的結點，然后線程B也加入到線程A后面，tail指向線程B的結點。然后線程A和B

都在其myPred域上旋轉，一旦它的myPred結點的locked字段變為false，它就可以獲取鎖。明顯線程A的myPred locked域為false，此時線程A獲取

到了鎖。

三。CLH代碼示例

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隊列鎖的優點是空間復雜度低（如果有n個線程，L個鎖，每個線程每次只獲取一個鎖，那么需要的存儲空間是O（L+n），n個線程有n個

myNode，L個鎖有L個tail），CLH的一種變體被應用在了JAVA並發框架中(AbstractQueuedSynchronizer.Node)。CLH在SMP系統結構下

該法是非常有效的。但在NUMA系統結構下，每個線程有自己的內存，如果前趨結點的內存位置比較遠，自旋判斷前趨結點的locked域，性能

將大打折扣，一種解決NUMA系統結構的思路是MCS隊列鎖。

 

五。MCS

MSC與CLH最大的不同並不是鏈表是顯示還是隱式，而是線程自旋的規則不同:CLH是在前趨結點的locked域上自旋等待，而MCS是在自己的

結點的locked域上自旋等待。正因為如此，它解決了CLH在NUMA系統架構中獲取locked域狀態內存過遠的問題。

MCS隊列鎖的具體實現如下：

a. 隊列初始化時沒有結點，tail=null

b. 線程A想要獲取鎖，於是將自己置於隊尾，由於它是第一個結點，它的locked域為false

c. 線程B和C相繼加入隊列，a->next=b,b->next=c。且B和C現在沒有獲取鎖，處於等待狀態，所以它們的locked域為true，

尾指針指向線程C對應的結點

d. 線程A釋放鎖后，順着它的next指針找到了線程B，並把B的locked域設置為false。這一動作會觸發線程B獲取鎖

 

六。代碼實現

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;
    }
}