不懂什么是锁?看看这篇你就明白了 (4)

自旋锁尽可能的减少线程的阻塞,这对于锁的竞争不激烈,且占用锁时间非常短的代码块来说性能能大幅度的提升,因为自旋的消耗会小于线程阻塞挂起再唤醒的操作的消耗,这些操作会导致线程发生两次上下文切换!

但是如果锁的竞争激烈,或者持有锁的线程需要长时间占用锁执行同步块,这时候就不适合使用自旋锁了,因为自旋锁在获取锁前一直都是占用 cpu 做无用功,占着 XX 不 XX,同时有大量线程在竞争一个锁,会导致获取锁的时间很长,线程自旋的消耗大于线程阻塞挂起操作的消耗,其它需要 cpu 的线程又不能获取到 cpu,造成 cpu 的浪费。所以这种情况下我们要关闭自旋锁。

自旋锁的实现

下面我们用Java 代码来实现一个简单的自旋锁

public class SpinLockTest { private AtomicBoolean available = new AtomicBoolean(false); public void lock(){ // 循环检测尝试获取锁 while (!tryLock()){ // doSomething... } } public boolean tryLock(){ // 尝试获取锁,成功返回true,失败返回false return available.compareAndSet(false,true); } public void unLock(){ if(!available.compareAndSet(true,false)){ throw new RuntimeException("释放锁失败"); } } }

这种简单的自旋锁有一个问题:无法保证多线程竞争的公平性。对于上面的 SpinlockTest,当多个线程想要获取锁时,谁最先将available设为false谁就能最先获得锁,这可能会造成某些线程一直都未获取到锁造成线程饥饿。就像我们下课后蜂拥的跑向食堂,下班后蜂拥地挤向地铁,通常我们会采取排队的方式解决这样的问题,类似地,我们把这种锁叫排队自旋锁(QueuedSpinlock)。计算机科学家们使用了各种方式来实现排队自旋锁,如TicketLock,MCSLock,CLHLock。接下来我们分别对这几种锁做个大致的介绍。

TicketLock

在计算机科学领域中,TicketLock 是一种同步机制或锁定算法,它是一种自旋锁,它使用ticket 来控制线程执行顺序。

就像票据队列管理系统一样。面包店或者服务机构(例如银行)都会使用这种方式来为每个先到达的顾客记录其到达的顺序,而不用每次都进行排队。通常,这种地点都会有一个分配器(叫号器,挂号器等等都行),先到的人需要在这个机器上取出自己现在排队的号码,这个号码是按照自增的顺序进行的,旁边还会有一个标牌显示的是正在服务的标志,这通常是代表目前正在服务的队列号,当前的号码完成服务后,标志牌会显示下一个号码可以去服务了。

像上面系统一样,TicketLock 是基于先进先出(FIFO) 队列的机制。它增加了锁的公平性,其设计原则如下:TicketLock 中有两个 int 类型的数值,开始都是0,第一个值是队列ticket(队列票据), 第二个值是 出队(票据)。队列票据是线程在队列中的位置,而出队票据是现在持有锁的票证的队列位置。可能有点模糊不清,简单来说,就是队列票据是你取票号的位置,出队票据是你距离叫号的位置。现在应该明白一些了吧。

当叫号叫到你的时候,不能有相同的号码同时办业务,必须只有一个人可以去办,办完后,叫号机叫到下一个人,这就叫做原子性。你在办业务的时候不能被其他人所干扰,而且不可能会有两个持有相同号码的人去同时办业务。然后,下一个人看自己的号是否和叫到的号码保持一致,如果一致的话,那么就轮到你去办业务,否则只能继续等待。上面这个流程的关键点在于,每个办业务的人在办完业务之后,他必须丢弃自己的号码,叫号机才能继续叫到下面的人,如果这个人没有丢弃这个号码,那么其他人只能继续等待。下面来实现一下这个票据排队方案

public class TicketLock { // 队列票据(当前排队号码) private AtomicInteger queueNum = new AtomicInteger(); // 出队票据(当前需等待号码) private AtomicInteger dueueNum = new AtomicInteger(); // 获取锁:如果获取成功,返回当前线程的排队号 public int lock(){ int currentTicketNum = dueueNum.incrementAndGet(); while (currentTicketNum != queueNum.get()){ // doSomething... } return currentTicketNum; } // 释放锁:传入当前排队的号码 public void unLock(int ticketNum){ queueNum.compareAndSet(ticketNum,ticketNum + 1); } }

每次叫号机在叫号的时候,都会判断自己是不是被叫的号,并且每个人在办完业务的时候,叫号机根据在当前号码的基础上 + 1,让队列继续往前走。

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