Java非阻塞同步算法：CLH锁、MCS锁在高性能并发结构中的应用

各位朋友，大家好！今天我们来深入探讨Java并发编程中两种非常重要的非阻塞同步算法：CLH锁和MCS锁。它们在构建高性能并发数据结构和解决并发问题时发挥着至关重要的作用。我们将从理论基础出发，结合代码示例，深入理解它们的原理和应用场景。

1. 并发编程的挑战与锁的选择

在多线程环境下，对共享资源的访问需要进行同步，以避免数据竞争和保证数据一致性。传统的锁机制，如synchronized和ReentrantLock，虽然简单易用，但在高并发场景下，由于线程阻塞和上下文切换的开销，性能会显著下降。

阻塞锁的主要缺点包括：

线程阻塞： 争用锁的线程会被阻塞，等待锁的释放，这会导致CPU资源的浪费。
上下文切换： 线程阻塞和唤醒需要进行上下文切换，这涉及到操作系统的介入，开销较大。
优先级反转： 低优先级的线程持有锁，导致高优先级的线程阻塞，可能会导致系统响应延迟。

为了解决这些问题，非阻塞同步算法应运而生。非阻塞算法的核心思想是避免线程阻塞，而是通过循环重试等方式来保证操作的原子性。常见的非阻塞算法包括CAS（Compare-and-Swap）、FAA（Fetch-and-Add）以及基于这些原子操作构建的更高级的锁机制。

2. CLH锁：基于链表的自旋锁

CLH锁（Craig, Landin, and Hagersten lock）是一种基于链表的自旋锁，它将所有请求锁的线程组织成一个FIFO队列，保证了公平性。CLH锁的核心思想是：每个线程在获取锁时，只需要关注自己队列中的前驱节点的状态，而不需要关心全局的锁状态。

2.1 CLH锁的原理

CLH锁维护一个隐式的队列，队列的每个节点代表一个请求锁的线程。每个节点包含一个locked属性，表示该线程是否持有锁。

初始化： 初始化时，队列为空，有一个尾节点（tail），该节点的locked属性为false。
获取锁：
1. 创建一个新的节点，myNode，并设置locked为true。
2. 使用CAS操作将tail指向myNode，同时返回旧的tail节点，记为preNode。
3. 自旋等待preNode.locked变为false。此时，myNode获得了锁。
释放锁：
1. 将myNode.locked设置为false，释放锁。

2.2 CLH锁的代码实现（Java）

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

public class CLHLock {

    private final AtomicReference<QNode> tail;
    private final ThreadLocal<QNode> myNode;
    private final ThreadLocal<QNode> myPreNode;

    public CLHLock() {
        tail = new AtomicReference<>(new QNode());
        myNode = ThreadLocal.withInitial(QNode::new);
        myPreNode = new ThreadLocal<>();
    }

    public void lock() {
        QNode qnode = myNode.get();
        qnode.locked = true; // Indicate that this thread needs the lock

        QNode preNode = tail.getAndSet(qnode); // Atomically adds this node to the tail of the queue
        myPreNode.set(preNode);

        while (preNode.locked) {
            // spin until the predecessor releases the lock
        }
    }

    public void unlock() {
        QNode qnode = myNode.get();
        qnode.locked = false; // Release the lock
        myNode.set(myPreNode.get()); // Reuse the node for the next lock acquisition
    }

    static class QNode {
        volatile boolean locked = false;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CLHLock lock = new CLHLock();
        Runnable task = () -> {
            lock.lock();
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " acquired the lock");
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " released the lock");
                lock.unlock();
            }
        };

        Thread t1 = new Thread(task, "Thread-1");
        Thread t2 = new Thread(task, "Thread-2");

        t1.start();
        t2.start();

        t1.join();
        t2.join();
    }
}

代码解释：

tail: 指向队列尾部的原子引用。
myNode: ThreadLocal变量，每个线程拥有一个自己的QNode对象。
myPreNode: ThreadLocal变量，用于存储当前线程的前驱节点。
lock(): 获取锁。将当前线程的QNode添加到队列尾部，并自旋等待前驱节点释放锁。
unlock(): 释放锁。将当前线程的QNode的locked属性设置为false，并重用该节点。

2.3 CLH锁的优点和缺点

优点：

公平性： 按照FIFO顺序获取锁，避免了饥饿现象。
自旋锁： 避免了线程阻塞和上下文切换的开销，在高并发场景下性能较好。
可扩展性： 易于扩展到分布式环境。
占用空间少： 每个线程只需要一个本地的QNode，空间占用较小。

缺点：

自旋等待： 如果锁的持有时间较长，自旋等待会浪费CPU资源。
远程访问： 在NUMA架构下，访问前驱节点的locked属性可能导致远程内存访问，降低性能。

3. MCS锁：另一种基于链表的自旋锁

MCS锁（Mellor-Crummey and Scott lock）是另一种基于链表的自旋锁，它也保证了公平性，并且解决了CLH锁的远程内存访问问题。

3.1 MCS锁的原理

MCS锁与CLH锁类似，也维护一个FIFO队列，但MCS锁的节点包含一个next属性，指向队列中的后继节点。每个线程在获取锁时，只需要操作自己的节点，避免了远程内存访问。

初始化： 初始化时，队列为空，有一个尾节点（tail），为null。
获取锁：
1. 创建一个新的节点，myNode，并设置next为null。
2. 使用CAS操作将tail指向myNode，同时返回旧的tail节点，记为preNode。
3. 如果preNode为null，则说明队列为空，myNode获得了锁。
4. 如果preNode不为null，则将myNode赋值给preNode.next，然后自旋等待myNode.locked变为false。此时，myNode获得了锁。
释放锁：
1. 如果myNode.next为null，则说明myNode是队列中的最后一个节点。使用CAS操作将tail设置为null，如果CAS操作失败，则说明有新的节点加入队列，需要等待后继节点的通知。
2. 如果myNode.next不为null，则将myNode.next.locked设置为false，通知后继节点获取锁。

3.2 MCS锁的代码实现（Java）

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
import java.util.concurrent.locks.LockSupport;

public class MCSLock {

    private final AtomicReference<QNode> tail;
    private final ThreadLocal<QNode> myNode;

    public MCSLock() {
        tail = new AtomicReference<>();
        myNode = ThreadLocal.withInitial(QNode::new);
    }

    public void lock() {
        QNode qnode = myNode.get();
        QNode preNode = tail.getAndSet(qnode);

        if (preNode != null) {
            qnode.locked = true;
            preNode.next = qnode;

            // Spin until the predecessor releases the lock
            while (qnode.locked) {
                LockSupport.park(this); // Use LockSupport to avoid busy-waiting and save CPU cycles
            }
        }
    }

    public void unlock() {
        QNode qnode = myNode.get();
        if (tail.compareAndSet(qnode, null)) {
            // No one is waiting, just return
            return;
        }

        // If someone is waiting, signal it.
        // If no one is waiting, then 'next' will be set to null.
        while (qnode.next == null) {
            // Wait for the successor to connect. This is necessary to avoid a race condition
            // where the successor might try to acquire the lock before 'next' is set.
            // This spin loop is short-lived and only happens during release.
            Thread.yield(); // Give the CPU a break instead of busy-waiting
        }
        LockSupport.unpark(qnode.next.thread);
    }

    static class QNode {
        volatile boolean locked = false;
        volatile QNode next = null;
        Thread thread = Thread.currentThread();
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MCSLock lock = new MCSLock();
        Runnable task = () -> {
            lock.lock();
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " acquired the lock");
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " released the lock");
                lock.unlock();
            }
        };

        Thread t1 = new Thread(task, "Thread-1");
        Thread t2 = new Thread(task, "Thread-2");

        t1.start();
        t2.start();

        t1.join();
        t2.join();
    }
}

代码解释：

tail: 指向队列尾部的原子引用。
myNode: ThreadLocal变量，每个线程拥有一个自己的QNode对象。
QNode.next: 指向队列中的后继节点。
lock(): 获取锁。将当前线程的QNode添加到队列尾部，如果队列不为空，则将当前线程的QNode赋值给前驱节点的next属性，并自旋等待QNode.locked变为false。
unlock(): 释放锁。如果当前线程的QNode是队列中的最后一个节点，则使用CAS操作将tail设置为null。否则，将QNode.next.locked设置为false，通知后继节点获取锁。

3.3 MCS锁的优点和缺点

优点：

公平性： 按照FIFO顺序获取锁，避免了饥饿现象。
自旋锁： 避免了线程阻塞和上下文切换的开销，在高并发场景下性能较好。
避免远程访问： 每个线程只操作自己的节点，避免了远程内存访问，提高了性能。

缺点：

自旋等待： 如果锁的持有时间较长，自旋等待会浪费CPU资源。
内存占用： 每个线程都需要一个QNode对象，内存占用相对较高。

4. CLH锁和MCS锁的比较

特性	CLH锁	MCS锁
队列结构	隐式队列	显式队列
远程访问	可能存在远程访问	避免远程访问
内存占用	每个线程一个`QNode`（可重用）	每个线程一个`QNode`（不可重用）
释放锁的方式	设置前驱节点的`locked`属性为false	设置后继节点的`locked`属性为false
适用场景	对公平性要求较高，且锁持有时间较短的场景	对公平性要求较高，且需要避免远程访问的场景

5. CLH锁和MCS锁的应用场景

CLH锁和MCS锁常用于构建高性能的并发数据结构，例如：

并发队列： 可以使用CLH锁或MCS锁来保护队列的入队和出队操作，保证线程安全。
并发哈希表： 可以使用CLH锁或MCS锁来保护哈希表的桶，保证线程安全。
线程池： 可以使用CLH锁或MCS锁来管理线程池中的线程，保证线程安全。

6. 选择合适的锁

选择合适的锁需要综合考虑多个因素，包括：

并发程度： 在低并发场景下，synchronized或ReentrantLock可能已经足够。在高并发场景下，非阻塞锁的性能优势会更加明显。
锁的持有时间： 如果锁的持有时间较短，自旋锁的性能会更好。如果锁的持有时间较长，可以考虑使用带有超时机制的自旋锁，或者使用阻塞锁。
公平性： 如果需要保证公平性，可以使用CLH锁或MCS锁。
NUMA架构： 在NUMA架构下，需要考虑远程内存访问的问题，MCS锁是更好的选择。

7. 总结：针对特定场景选择合适的锁，提升并发性能

CLH锁和MCS锁是两种重要的非阻塞同步算法，它们通过基于链表的自旋等待机制，实现了公平性和高性能。在实际应用中，我们需要根据具体的场景和需求，选择合适的锁，以达到最佳的并发性能。理解这些锁的原理和特性，能够帮助我们更好地构建高性能的并发应用。

Java非阻塞同步算法：CLH锁、MCS锁在高性能并发结构中的应用

发表回复 取消回复

发表回复取消回复