Java 并发中的 MCS Lock：终结自旋锁的缓存行竞争
各位朋友，大家好。今天我们来聊聊 Java 并发中的一个重要锁机制——MCS Lock。在深入 MCS Lock 之前，我们先回顾一下为什么要关注锁，以及传统自旋锁存在的问题。
锁：并发控制的基石
在多线程环境下，多个线程可能会同时访问共享资源。如果没有适当的控制机制，就会出现数据不一致、竞态条件等问题。锁的作用就是协调多个线程对共享资源的访问，保证在同一时刻只有一个线程可以访问该资源，从而保证数据的一致性和程序的正确性。
自旋锁：忙等待的策略
自旋锁是一种乐观的锁策略。当一个线程尝试获取锁时，如果锁已经被其他线程持有，它不会立即进入阻塞状态，而是不断地循环检查锁是否可用，直到获取锁为止。这种循环检查的过程被称为“自旋”。
自旋锁的优点在于，如果锁的持有时间很短，线程就可以快速获取锁，避免了线程切换的开销。但是，自旋锁也存在一些问题：
- 浪费 CPU 资源： 如果锁的持有时间很长，自旋的线程会一直占用 CPU 资源，导致 CPU 使用率升高。
- 优先级反转： 如果一个低优先级的线程持有了锁，而一个高优先级的线程在自旋等待锁的释放，那么高优先级的线程会一直等待，直到低优先级的线程释放锁。这会导致优先级反转问题。
- 缓存行竞争： 这也是我们今天讨论的重点。多个线程在同一个缓存行上自旋，会导致频繁的缓存一致性协议交互，严重影响性能。
缓存行竞争：自旋锁的性能瓶颈
在多核 CPU 架构中，每个 CPU 核心都有自己的缓存。当多个线程在不同的 CPU 核心上访问同一个共享变量时，如果这个变量位于同一个缓存行中，就会发生缓存行竞争。
更具体地说，当一个线程尝试修改一个缓存行中的数据时，它需要先获得该缓存行的独占访问权。这意味着其他 CPU 核心上的缓存行副本必须失效。当其他线程尝试访问该缓存行时，它们需要从主内存中重新加载数据。这个过程涉及到复杂的缓存一致性协议交互，例如 MESI 协议。
对于自旋锁而言，多个线程可能会在同一个缓存行上自旋等待锁的释放。这会导致频繁的缓存一致性协议交互，浪费大量的 CPU 时间和带宽。尤其是在高并发场景下，缓存行竞争会成为自旋锁的性能瓶颈。
MCS Lock：优雅地解决缓存行竞争
MCS Lock（Mellor-Crummey and Scott Lock）是一种基于链表的自旋锁，可以有效地解决缓存行竞争问题。它的核心思想是将锁的竞争分散到不同的内存位置上，从而避免多个线程在同一个缓存行上自旋。
MCS Lock 的数据结构
MCS Lock 的核心数据结构是一个队列节点：
class QNode {
volatile boolean locked = false;
volatile QNode next = null;
}locked：表示该节点是否需要自旋等待。如果为true，则需要等待；如果为false，则不需要等待。next：指向队列中的下一个节点。
此外，MCS Lock 还需要一个指向队列尾部的原子变量：
AtomicReference<QNode> tail;MCS Lock 的获取过程
-
创建并初始化队列节点： 每个线程在尝试获取锁时，都会创建一个新的
QNode实例，并将locked字段设置为true，表示需要等待。 -
原子地将节点添加到队列尾部： 线程使用
AtomicReference的getAndSet()方法，原子地将自己的QNode实例添加到队列尾部。getAndSet()方法返回的是原先的队列尾部节点。QNode qnode = new QNode(); qnode.locked = true; QNode pred = tail.getAndSet(qnode); -
判断是否需要自旋： 如果
pred为null，表示当前线程是队列中的第一个线程，可以直接获取锁，将locked字段设置为false，并返回。如果pred不为null，表示队列中已经有其他线程在等待锁，需要将自己的QNode实例链接到pred的next字段，并在自己的locked字段上自旋等待。if (pred != null) { pred.next = qnode; while (qnode.locked) { // 自旋等待 } }
MCS Lock 的释放过程
-
检查是否需要通知后继节点： 线程在释放锁时，首先检查自己的
next字段是否为null。如果为null，表示没有后继节点，需要尝试使用 CAS 操作将tail指向null。如果 CAS 操作失败，表示有新的线程加入了队列，需要等待next字段被更新。QNode qnode = local; // local是持有锁的线程的QNode if (qnode.next == null) { if (tail.compareAndSet(qnode, null)) { return; // 释放成功 } else { // 等待 next 字段被更新 while (qnode.next == null) { // 自旋等待 } } } -
通知后继节点： 如果
next字段不为null，表示有后继节点，需要将后继节点的locked字段设置为false，通知后继节点可以获取锁。qnode.next.locked = false;
MCS Lock 的 Java 实现
下面是一个简单的 MCS Lock 的 Java 实现：
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
import sun.misc.Unsafe;
import java.lang.reflect.Field;
public class MCSLock {
private static final Unsafe UNSAFE;
private static final long TAIL_OFFSET;
static {
try {
Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
theUnsafe.setAccessible(true);
UNSAFE = (Unsafe) theUnsafe.get(null);
TAIL_OFFSET = UNSAFE.objectFieldOffset(MCSLock.class.getDeclaredField("tail"));
} catch (Exception e) {
throw new Error(e);
}
}
private static class QNode {
volatile boolean locked = false;
volatile QNode next = null;
}
private volatile QNode tail;
private ThreadLocal<QNode> myNode = ThreadLocal.withInitial(QNode::new);
public void lock() {
QNode qnode = myNode.get();
QNode pred = (QNode) UNSAFE.getAndSetObject(this, TAIL_OFFSET, qnode);
if (pred != null) {
qnode.locked = true;
pred.next = qnode;
while (qnode.locked) {
// 自旋等待
}
}
}
public void unlock() {
QNode qnode = myNode.get();
if (qnode.next == null) {
if (compareAndSetTail(qnode, null)) {
return;
}
while (qnode.next == null) {
// 自旋等待
}
}
qnode.next.locked = false;
qnode.next = null;
}
private boolean compareAndSetTail(QNode expect, QNode update) {
return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, TAIL_OFFSET, expect, update);
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
MCSLock lock = new MCSLock();
int numThreads = 10;
int iterations = 10000;
int[] counter = {0}; // Use an array to simulate shared mutable state
Thread[] threads = new Thread[numThreads];
for (int i = 0; i < numThreads; i++) {
threads[i] = new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < iterations; j++) {
lock.lock();
try {
counter[0]++;
} finally {
lock.unlock();
}
}
});
threads[i].start();
}
for (Thread thread : threads) {
thread.join();
}
System.out.println("Counter value: " + counter[0]); // Expected: numThreads * iterations
}
}代码解释：
QNode类： 定义了队列节点，包含locked和next两个 volatile 字段。locked表示是否需要自旋等待，next指向队列中的下一个节点。tail变量： 使用AtomicReference类型的tail变量指向队列尾部。myNode变量： 使用ThreadLocal类型的myNode变量，每个线程维护一个自己的QNode实例，避免了线程之间的竞争。lock()方法： 获取锁的过程。首先获取当前线程的QNode实例，然后使用getAndSet()方法将该节点添加到队列尾部。如果pred为null，表示当前线程是队列中的第一个线程，可以直接获取锁。否则，将自己的QNode实例链接到pred的next字段，并在自己的locked字段上自旋等待。unlock()方法： 释放锁的过程。首先检查自己的next字段是否为null。如果为null，表示没有后继节点，需要尝试使用 CAS 操作将tail指向null。如果 CAS 操作失败，表示有新的线程加入了队列，需要等待next字段被更新。如果next字段不为null，表示有后继节点，需要将后继节点的locked字段设置为false，通知后继节点可以获取锁。
MCS Lock 的优势
- 避免缓存行竞争： MCS Lock 将锁的竞争分散到不同的内存位置上，每个线程只在其自己的
QNode实例上自旋，避免了多个线程在同一个缓存行上自旋。 - 公平性： MCS Lock 基于队列实现，保证了线程按照 FIFO 的顺序获取锁，避免了饥饿现象。
- 伸缩性： MCS Lock 的性能随着线程数量的增加而线性增长，具有良好的伸缩性。
MCS Lock 的局限性
- 需要额外的内存空间： 每个线程都需要维护一个自己的
QNode实例，增加了内存消耗。 - 实现相对复杂： MCS Lock 的实现比简单的自旋锁要复杂一些。
表格对比：自旋锁 vs. MCS Lock
| 特性 | 自旋锁 | MCS Lock |
|---|---|---|
| 缓存行竞争 | 容易发生缓存行竞争 | 有效避免缓存行竞争 |
| 公平性 | 不保证公平性 | 保证公平性 (FIFO) |
| 伸缩性 | 伸缩性较差，性能容易下降 | 伸缩性好，性能随线程数增加线性增长 |
| 内存消耗 | 较小 | 较大，每个线程需要维护一个 QNode |
| 实现复杂度 | 简单 | 相对复杂 |
| 适用场景 | 锁持有时间短，并发量低的场景 | 锁持有时间较长，并发量高的场景 |
Unsafe 的使用
在上面的代码中，我们使用了 sun.misc.Unsafe 类。Unsafe 类提供了一些底层的操作，例如直接访问内存、CAS 操作等。使用 Unsafe 类可以提高性能，但也需要谨慎使用，因为它绕过了 JVM 的安全检查。
为什么使用 Unsafe？
我们使用 Unsafe 主要出于性能考虑。AtomicReference 内部也是使用 Unsafe 实现 CAS 操作的。直接使用 Unsafe 可以避免额外的对象创建和方法调用，从而提高性能。
替代方案
虽然 Unsafe 在某些情况下可以提高性能，但它也存在一些风险。如果不想使用 Unsafe，可以使用 AtomicReference 来代替。但是，需要注意的是，使用 AtomicReference 可能会导致性能略微下降。
总结：MCS Lock 的价值与应用
今天我们深入探讨了 MCS Lock，这是一种有效的解决自旋锁缓存行竞争问题的锁机制。它通过链表结构将竞争分散，提高了并发性能和公平性。虽然实现相对复杂，并需要额外的内存开销，但在高并发场景下，MCS Lock 仍然是一种非常有价值的选择。尤其在需要保证公平性和伸缩性的系统中，MCS Lock 可以作为一种重要的并发控制工具。