Java-JUC包中的锁-CLH（三）

2019年3月10日 329次阅读 来源: JUC

一、CLH锁的核心思想

是将众多线程长时间对某资源的竞争，通过有序化这些线程转化为只需对前驱节点的属性上自旋检测。唯一存在竞争的地方就是在入队列之前对尾节点tail的竞争，但竞争的线程的数量已经少了很多，且比起所有线程直接对某资源竞争的轮询次数也减少了很多，节省了很多CPU缓存同步操作，大大提升系统性能，利用空间换取性能。

二、CLH简介

CLH是由Craig, Landin, and Hagersten发明的CLH锁如何优化同步带来的花销，其实现思路是：通过一定手段将所有线程对某一共享变量轮询竞争转化为一个线程队列且队列中的线程各自轮询自己的本地变量。这个转化过程由两个要点，一是构建怎样的队列&如何构建队列，为了保证公平性，构建的将是一个FIFO队列，构建的时候主要通过移动尾部节点tail实现队列的排队，每个想获取锁的线程创建一个新节点并通过CAS原子操作将新节点赋予tail，然后让当前线程轮询前一节点的某个状态位，如下图，如此就成功构建线程排队队列；二是如何释放队列，执行完线程后只需将当前线程对应的节点状态位置为解锁状态，由于下一节点一直在轮询，可获取到锁。

《Java-JUC包中的锁-CLH（三）》

三、CLH算法实现

CLH队列中的结点QNode中含有一个locked字段，该字段若为true表示该线程需要获取锁，且不释放锁，为false表示线程释放了锁。结点之间是通过隐形的链表相连，之所以叫隐形的链表是因为这些结点之间没有明显的next指针，而是通过myPred所指向的结点的变化情况来影响myNode的行为。CLHLock上还有一个尾指针，始终指向队列的最后一个结点。CLHLock的类图如下所示：

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当一个线程需要获取锁时，会创建一个新的QNode，将其中的locked设置为true表示需要获取锁，然后线程对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的引用myPred,然后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。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。如下图所示，线程A需要获取锁，其myNode域为true，些时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都在它的myPred域上旋转，一量它的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。

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整个CLH的代码如下，其中用到了ThreadLocal类，将QNode绑定到每一个线程上，同时用到了AtomicReference,对尾指针的修改正是调用它的getAndSet()操作来实现的，它能够保证以原子方式更新对象引用。

  1. public class CLHLock implements Lock {  
  2.     AtomicReference<QNode> tail = new AtomicReference<QNode>(new QNode());  
  3.     ThreadLocal<QNode> myPred;  
  4.     ThreadLocal<QNode> myNode;  
  5.   
  6.     public CLHLock() {  
  7.         tail = new AtomicReference<QNode>(new QNode());  
  8.         myNode = new ThreadLocal<QNode>() {  
  9.             protected QNode initialValue() {  
  10.                 return new QNode();  
  11.             }  
  12.         };  
  13.         myPred = new ThreadLocal<QNode>() {  
  14.             protected QNode initialValue() {  
  15.                 return null;  
  16.             }  
  17.         };  
  18.     }  
  19.   
  20.     @Override  
  21.     public void lock() {  
  22.         QNode qnode = myNode.get();  
  23.         qnode.locked = true;  
  24.         QNode pred = tail.getAndSet(qnode);  
  25.         myPred.set(pred);  
  26.         while (pred.locked) {  
  27.         }  
  28.     }  
  29.   
  30.     @Override  
  31.     public void unlock() {  
  32.         QNode qnode = myNode.get();  
  33.         qnode.locked = false;  
  34.         myNode.set(myPred.get());  
  35.     }  
  36. }

从代码中可以看出lock方法中有一个while循环，这 是在等待前趋结点的locked域变为false，这是一个自旋等待的过程。unlock方法很简单，只需要将自己的locked域设置为false即可。

四、AQS里的CLH锁

在CLH锁核心思想的影响下，Java并发包的基础框架AQS以CLH锁作为基础而设计，其中主要是考虑到CLH锁更容易实现取消与超时功能。比起原来的CLH锁已经做了很大的改造，主要从两方面进行了改造：

  • 1.节点的结构与节点等待机制

在结构上引入了头结点和尾节点，他们分别指向队列的头和尾，尝试获取锁、入队列、释放锁等实现都与头尾节点相关，并且每个节点都引入前驱节点和后后续节点的引用；

  • 2.在等待机制上由原来的自旋改成阻塞唤醒

如下图通过前驱后续节点的引用一节节连接起来形成一个链表队列，对于头尾节点的更新必须是原子的。下面详细看看入队、检测挂起、释放出队、超时、取消等操作。

《Java-JUC包中的锁-CLH（三）》

① 入队

整块逻辑其实是用一个无限循环进行CAS操作，即用自旋方式竞争直到成功。将尾节点tail的旧值赋予新节点node的前驱节点，并尝试CAS操作将新节点node赋予尾节点tail，原先的尾节点的后续节点指向新建节点node。完成上面步骤就建立起一条如图2-5-9-4所示的链表队列。代码简化如下：

for (;;) {
   Node t = tail;
   node.prev = t;
   if (compareAndSetTail(t, node)) {
      t.next = node;
      return node;
   }
}

② 检测挂起

上面我们说到节点等待机制已经被AQS作者由自旋机制改造成阻塞机制，一个新建的节点完成入队操作后，如果是自旋则直接进入循环检测前驱节点是否为头结点即可，但现在被改为阻塞机制，当前线程将首先检测是否为头结点且尝试获取锁，如果当前节点为头结点并成功获取锁则直接返回，当前线程不进入阻塞，否则将当前线程阻塞。代码简化如下：

 for (;;) {
    if (node.prev == head)
if(尝试获取锁成功){
         head=node;
         node.next=null;
         return;
     }
   阻塞线程
}

③ 释放出队

出队的主要工作是负责唤醒等待队列中后续节点，让所有等待节点环环相接，每条线程有序地往下执行。代码简化如下：

Node s = node.next;

唤醒节点s包含的线程

④ 超时

在支持超时的模式下需要LockSupport类的parkNanos方法支持，线程在阻塞一段时间后会自动唤醒，每次循环将累加消耗时间，当总消耗时间大于等于自定义的超时时间时就直接分返。代码简化如下：

for (;;) {
   尝试获取锁
   if (nanosTimeout <= 总消耗时间)
      return;
   LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
 }

⑤ 取消

队列中等待锁的队列可能因为中断或超时而涉及到取消操作，这种情况下被取消的节点不再进行锁竞争。此过程主要完成的工作是将取消的节点移除。先将节点node状态设置成取消，再将前驱节点pred的后续节点指向node的后续节点，这里由于涉及到竞争，必须通过CAS进行操作，CAS操作就算失败也不必理会，因为已经改了节点的状态，在尝试获取锁操作中会循环对节点的状态判断。

node.waitStatus = Node.CANCELLED;
Node pred = node.prev;
Node predNext = pred.next;
Node next = node.next;
compareAndSetNext(pred, predNext, next);

看一下我上章讲的Java-JUC包中的锁-ReentrantLock（二） 这里面详细的介绍了CLH的相关操作。

    原文作者：JUC
    原文地址: https://blog.csdn.net/yjp198713/article/details/78946616
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