JAVA锁---------------------CLH锁和MCS锁

本文详细介绍了CLH锁和MCS锁两种自旋锁的实现原理及代码实现。CLH锁通过查询前驱变量实现锁的获取与释放,而MCS锁在此基础上增加了真实的后继节点,更适合NUMA架构。两种锁都是公平锁,但在激烈的竞争环境下可能导致性能下降。

摘要生成于 C知道 ,由 DeepSeek-R1 满血版支持, 前往体验 >

       参考:http://ifeve.com/java_lock_see2/

一:CLH锁

  1. 实现
    package com.eden.coreLearn.thread.lock;
    
    import java.util.concurrent.TimeUnit;
    import java.util.concurrent.atomic.AtomicReferenceFieldUpdater;
    
    import org.junit.Test;
    
    /**
     * CLH自旋锁
     * 
     * @author eden.ding1991@gmail.com 2016年7月15日 下午5:39:38
     */
    public class CLHLock {
    
        public static class CLHNode {
            private volatile boolean isLocked = true;
        }
    
        @SuppressWarnings("unused")
        private volatile CLHNode tail;
    
        private static final ThreadLocal<CLHNode> nodeLocal = new ThreadLocal<CLHNode>();
    
        //构建一个CLHLock对象中变量名为tail,类型为CLHNode的原子更新器(该变量必须有volatile关键字修饰)
        private static final AtomicReferenceFieldUpdater<CLHLock, CLHNode> updater   = AtomicReferenceFieldUpdater
                .newUpdater(CLHLock.class, CLHNode.class, "tail");
    
        public void lock() {
            CLHNode node = new CLHNode();
            nodeLocal.set(node);
            CLHNode preNode = updater.getAndSet(this, node);
            //        System.out.println(String.format("preNode=%s", preNode));
            if (preNode != null) {
                while (preNode.isLocked) {
    
                }
                preNode = null;
                nodeLocal.set(node);//没看懂为什么又要set一次
            }
        }
    
        public void unlock() {
            CLHNode node = nodeLocal.get();//获取当前线程锁的节点
            if (!updater.compareAndSet(this, node, null)) {
                node.isLocked = false;
            }
            node = null;
        }
    
        @Test
        public void testCLHLock() throws InterruptedException {
            Student st = new Student(new CLHLock());
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
                new Thread(new CLHLockThread(st), i + "").start();
            }
            TimeUnit.SECONDS.sleep(30);
        }
    
        public class Student {
            private int     i = 0;
    
            private CLHLock lock;
    
            public Student(CLHLock lock) {
                this.lock = lock;
            }
    
            public void add() {
                lock.lock();
                this.i = this.i + 1;
                System.out.println(String.format("线程%s的变量i=%s", Thread.currentThread().getName(), this.i));
                //            lock.unlock();
            }
        }
    
        public class CLHLockThread extends Thread {
            private Student st;
    
            public CLHLockThread(Student st) {
                this.st = st;
            }
    
            @Override
            public void run() {
                st.add();
            }
        }
    }
    

  2. CLH锁是通过不停的查询前驱变量preNode来实现的,是隐式的队列,并没有真实的后继节点
  3. lock函数实现:调用lock的时候,先新建一个自己的tail node节点,并存到自己的线程栈里,然后通过updater获取共享的tail node并将共享的tail node更新成自己的tail node,如果共享的tail node不为空,则获取锁失败,执行空轮询,反之成功
  4. unlock函数实现,先取出当前线程的tail node节点,并与共享的tail node节点比较,如果相同,则释放锁,同时将共享的tail node更新成null
  5. CLH锁也是公平锁,遵循先来后到的顺序,但是和其他自旋锁一样,竞争激烈时会导致性能下降

二:MCS锁

  1. 实现
    package com.eden.coreLearn.thread.lock;
    
    import java.util.concurrent.atomic.AtomicReferenceFieldUpdater;
    
    /**
     *
     * @author eden.ding1991@gmail.com 2016年7月15日 下午6:36:40
     */
    public class MCSLock {
    
        public class MCSNode {
            private volatile MCSNode next;
            private volatile boolean isLocked = true;
        }
    
        private static final ThreadLocal<MCSNode> nodeLocal = new ThreadLocal<MCSNode>();
        
        @SuppressWarnings("unused")
        private volatile MCSNode node;
        
        private static final AtomicReferenceFieldUpdater<MCSLock, MCSNode> updater   = AtomicReferenceFieldUpdater
                .newUpdater(MCSLock.class, MCSNode.class, "node");
    
        public void lock() {
            MCSNode current = new MCSNode();
            nodeLocal.set(current);
            MCSNode preNode = updater.getAndSet(this, current);
            if (preNode != null) {
                preNode.next = current;
                while (current.isLocked) {
    
                }
            }
        }
    
        public void unlock() {
            MCSNode current = nodeLocal.get();
            if (current.next == null) {
                if (updater.compareAndSet(this, current, null)) {
    
                } else {
                    while (current.next == null) {
    
                    }
                }
            } else {
                current.next.isLocked = false;
                current.next = null;
            }
        }
    
    }
    

  2. 实现其实再CLH锁的基础上加了真实的后继节点
  3. CLHlock是不停的查询前驱变量, 导致不适合在NUMA 架构下使用(在这种结构下,每个线程分布在不同的物理内存区域,MCSLock则是对本地变量的节点进行循环。不存在CLHlock 的问题。
<think>好的,我现在需要回答用户关于AQS自适应自旋的实现原理自适应机制的问题。首先,用户提到的AQS是AbstractQueuedSynchronizer,而自适应自旋在引用里提到了适应性自旋,根据前一次自旋时间拥有者状态调整自旋时间。 用户可能混淆了AQS自旋的关系,因为AQS本身并不直接实现自旋,而是用于构建其他同步器的基础框架。但ReentrantLock使用了AQS,而自旋通常是在synchronized的优化中提到的,比如适应性自旋。需要理清这两者的关系,避免错误。 接下来,我需要明确AQS中的自旋机制。根据引用[2],自适应自旋的时间不是固定的,而是基于之前的自旋成功情况持有者的状态。这可能涉及到JVM层面的实现,比如在synchronized升级到轻量级时的自旋优化,而AQS本身可能使用不同的机制。 但用户的问题是AQS的自适应自旋,这可能存在误解。因为AQS内部的队列管理(CLH变体)可能涉及自旋,但通常AQS的线程会被park阻塞,而不是忙等自旋。需要确认AQS是否真的实现了自适应自旋,或者用户将synchronized的自适应自旋与AQS的机制混淆了。 查看引用[1],提到AQS用于实现ReentrantLock,而ReentrantLock默认使用非公平,可能涉及自旋尝试获取。但具体实现中,AQS的acquire方法可能会先尝试通过CAS获取,失败后再入队。这里的自旋可能次数有限,但需要确认是否自适应。 另外,引用[2]提到适应性自旋是JVM对synchronized的优化,而ReentrantLock作为Java层面的,可能由AQS处理阻塞唤醒,但自旋逻辑可能不同。需要区分JVM层面的自旋AQS实现中的自旋尝试。 可能用户将两种不同的自旋机制混为一谈,需要解释清楚。AQS在获取时可能有短暂的自旋尝试,而适应性自旋更多是JVM针对synchronized的优化。需要明确回答AQS本身是否实现自适应自旋,或用户的问题有误。 根据引用[4],CLH在NUMA架构下的问题,而MCS作为替代。但AQS使用的是CLH变体,可能涉及自旋等待前驱节点的状态。这里需要确认AQS中的自旋机制是否自适应调整。 总结思路:AQS中的自旋可能不是传统意义上的自适应自旋,而是结合了队列CAS操作。需要查阅资料确认AQS的具体实现,是否有自适应的自旋机制,或者用户的问题需要纠正,将适应性自旋与AQS的机制分开解释。 最后,回答时要明确区分AQS在ReentrantLock中的使用JVM对synchronized的自适应自旋,指出AQS的自旋尝试可能的适应性调整,或者说明用户可能存在的混淆点,确保回答准确。</think>#### 一、AQS与自旋的关系澄清 **关键结论**:AQS(AbstractQueuedSynchronizer)本身**不直接实现自适应自旋**,但基于AQS构建的(如ReentrantLock)**可能结合自旋优化**。 - **误区澄清**: - 用户提到的“AQS自适应自旋”容易与JVM对`synchronized`的**适应性自旋优化**[^2]混淆。 - AQS的核心是通过**CLH队列变体**管理线程阻塞与唤醒,其自旋行为主要体现在**队列节点的状态检查**,而非传统自旋的忙等待。 --- #### 二、AQS中的自旋机制实现 AQS在竞争时通过**两种机制**优化性能: 1. **快速路径尝试(CAS自旋)** - 线程在入队前会**短暂自旋尝试直接获取**(通过`compareAndSetState`方法)。 - 示例代码(`ReentrantLock.NonfairSync`): ```java final void lock() { if (compareAndSetState(0, 1)) // 自旋尝试直接获取 setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); else acquire(1); // 失败后进入队列管理 } ``` - **自旋次数固定**(通常为1次),与JVM的适应性自旋不同[^1][^3]。 2. **队列节点的自旋检查(CLH变体)** - AQS的CLH队列节点在入队后,会通过**有限自旋检查前驱节点状态**,以减少线程阻塞/唤醒的开销。 - **实现逻辑**: ```java for (;;) { Node pred = node.predecessor(); if (pred == head && tryAcquire(arg)) { // 前驱是头节点时自旋检查 setHead(node); pred.next = null; return; } if (shouldParkAfterFailedAcquire(pred, node)) // 判断是否需要阻塞 parkAndCheckInterrupt(); } ``` - **自旋条件**:仅当线程是队列中的第二个节点(即前驱为头节点)时才会自旋,避免全局自旋浪费资源[^1][^4]。 --- #### 三、自适应机制的关联性分析 虽然AQS自身未实现严格的自适应自旋,但**与JVM适应性自旋存在间接关联**: 1. **JVM层面的优化影响** - 若AQS的实现类(如`ReentrantLock`)的竞争涉及`synchronized`关键字(如内部监控器),则可能触发JVM的适应性自旋[^2]。 - JVM根据历史自旋成功率动态调整自旋时间,例如: - 若某对象近期自旋获取成功率高,则延长自旋次数(如100次循环)。 - 若自旋极少成功,则直接阻塞线程以避免CPU浪费。 2. **AQS队列的启发式调整** - AQS通过`shouldParkAfterFailedAcquire`方法判断是否需要阻塞线程,隐含**对竞争强度的动态响应**: ```java private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) { int ws = pred.waitStatus; if (ws == Node.SIGNAL) // 前驱节点已准备好唤醒后续节点 return true; if (ws > 0) { // 前驱节点已取消,跳过无效节点 do { node.prev = pred = pred.prev; } while (pred.waitStatus > 0); pred.next = node; } else { compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL); // 标记前驱状态 } return false; // 返回false时会再次自旋检查 } ``` - **效果**:通过状态标记减少无效自旋,间接实现类似“自适应”的线程调度优化[^1][^4]。 --- #### 四、性能对比与实验验证 | 场景 | 纯自旋 | AQS队列管理 | |--------------------|---------------------|--------------------| | **高竞争** | CPU资源耗尽 | 快速阻塞,减少空转 | | **低竞争** | 快速获取 | CAS快速路径成功率高 | | **NUMA架构** | 自旋延迟高(跨CPU访问) | CLH变体优化本地自旋 | **实验步骤**: 1. 使用`ReentrantLock`与`synchronized`分别实现高并发计数器。 2. 通过`perf`工具分析CPU缓存命中率与自旋周期: ```bash perf stat -e cache-misses,cycles java ConcurrentTest ``` 3. 结果:AQS方案在**中等竞争强度**下表现出更低的缓存失效率更稳定的吞吐量[^3][^4]。 --- #### 五、技术演进与替代方案 1. **MCS的改进** - 针对CLH在NUMA系统的缺陷,MCS通过**本地自旋变量**优化: - 每个线程自旋监视自己的节点状态,避免远程内存访问。 - 但AQS未采用MCS,因其在低竞争场景下性能提升有限[^4]。 2. **JEP 312:ThreadLocal握手** - Java 14引入的线程局部暂停机制,进一步减少竞争时的全局开销,间接优化AQS队列唤醒效率。 --- #### 相关问题 1. AQS的CLH队列与原始CLH有何具体差异? 2. 如何通过JVM参数调整`synchronized`的自适应自旋策略? 3. 为什么ReentrantLock默认使用非公平设计? --- #### 引用说明 [^1]: AQS通过状态管理队列调度实现机制,支持独占/共享模式。 [^2]: JVM根据历史自旋成功率动态调整自旋时间,优化`synchronized`性能。 : 非公平通过减少线程切换提升吞吐量,但可能引发饥饿现象。 [^4]: CLHMCS针对不同架构优化自旋行为,AQS采用CLH变体。
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