Java技术指南「并发原理专题」AQS的技术体系之CLHMCS锁的原理及实现

一卷旌收千骑虏，万全身出百重围。这篇文章主要讲述Java技术指南「并发原理专题」AQS的技术体系之CLHMCS锁的原理及实现相关的知识，希望能为你提供帮助。
背景
SMP(Symmetric Multi-Processor)

在这种架构中，一台计算机由多个CPU组成，并共享内存和其他资源，所有的CPU都可以平等地访问内存、I/O和外部中断。
虽然同时使用多个CPU，但是从管理的角度来看，它们的表现就像一台单机一样。
操作系统将任务队列对称地分布于多个CPU之上，从而极大地提高了整个系统的数据处理能力。
但是随着CPU数量的增加，每个CPU都要访问相同的内存资源，共享资源可能会成为系统瓶颈，导致CPU资源浪费。

NUMA(Non-Uniform Memory Access)

访问本地内存（本CPU模块的内存）的速度将远远高于访问远程内存(其他CPU模块的内存)的速度，这也是非一致存储访问的由来。
NUMA较好地解决SMP的扩展问题，当CPU数量增加时，因为访问远地内存的延时远远超过本地内存，系统性能无法线性增加。

CLH锁

在SMP架构下，CLH更具有优势。
在NUMA架构下，如果当前节点与前驱节点不在同一CPU模块下，跨CPU模块会带来额外的系统开销，而MCS锁更适用于NUMA架构。

加锁逻辑

获取当前线程的锁节点，如果为空，则进行初始化；
同步方法获取链表的尾节点，并将当前节点置为尾节点，此时原来的尾节点为当前节点的前置节点。
如果尾节点为空，表示当前节点是第一个节点，直接加锁成功。
如果尾节点不为空，则基于前置节点的锁值（locked==true）进行自旋，直到前置节点的锁值变为false。

解锁逻辑

获取当前线程对应的锁节点，如果节点为空或者锁值为false，则无需解锁，直接返回；
同步方法为尾节点赋空值，赋值不成功表示当前节点不是尾节点，则需要将当前节点的locked=false解锁节点。如果当前节点是尾节点，则无需为该节点设置。

public class CLHLock { private final AtomicReference< Node> tail; private final ThreadLocal< Node> myNode; private final ThreadLocal< Node> myPred; public CLHLock() { tail = new AtomicReference< > (new Node()); myNode = ThreadLocal.withInitial(() -> new Node()); myPred = ThreadLocal.withInitial(() -> null); }public void lock(){ Node node = myNode.get(); node.locked = true; Node pred = tail.getAndSet(node); myPred.set(pred); while (pred.locked){} }public void unLock(){ Node node = myNode.get(); node.locked=false; myNode.set(myPred.get()); }static class Node { volatile boolean locked = false; }}

MCS锁
MCS锁具体实现规则：

a. 队列初始化时没有结点，tail=null
【Java技术指南「并发原理专题」AQS的技术体系之CLHMCS锁的原理及实现】b. 线程A想要获取锁，将自己置于队尾，由于它是第一个结点，它的locked域为false
c. 线程B和C相继加入队列，a-> next=b,b-> next=c，B和C没有获取锁，处于等待状态，所以locked域为true，尾指针指向线程C对应的结点
d. 线程A释放锁后，顺着它的next指针找到了线程B，并把B的locked域设置为false，这一动作会触发线程B获取锁。

public class MCSLock {private final AtomicReference< Node> tail; private final ThreadLocal< Node> myNode; public MCSLock() { tail = new AtomicReference< > (); myNode = ThreadLocal.withInitial(() -> new Node()); }public void lock() {Node node = myNode.get(); Node pred = tail.getAndSet(node); if (pred != null) { node.locked = true; pred.next = node; while (node.locked) { } }}public void unLock() { Node node = myNode.get(); if (node.next == null) { if (tail.compareAndSet(node, null)) { return; }while (node.next == null) { } } node.next.locked = false; node.next = null; }class Node { volatile boolean locked = false; Node next = null; }public static void main(String[] args) {MCSLock lock = new MCSLock(); Runnable task = new Runnable() { private int a; @Override public void run() { lock.lock(); for (int i = 0; i < 10; i++) { a++; try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } System.out.println(a); lock.unLock(); } }; new Thread(task).start(); new Thread(task).start(); new Thread(task).start(); new Thread(task).start(); } }