CountDownLatch自旋锁 clh

博客介绍了Java中CLH自旋锁模式,它是公平锁可避免饥饿模式。给出了自旋锁介绍的链接,还展示了实现自旋锁模式的Node类相关代码片段,包括上锁、解锁等操作的代码逻辑。

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CountDownLatch

这个类大家可以学习学习,里面用了一个clh的自旋锁模式

大家可以看看关于自旋锁的介绍,他是一个公平锁。避免饥饿模式

https://www.jianshu.com/p/5ad8539e25c3

具体的代码可以看下node这个类,实现了自旋锁模式

贴下一些代码片段

abstractqueuedsynchronizer


doReleaseShared
Node 自旋锁  CLH locks

上锁
doAcquireSharedInterruptibly
node  await
sync.acquireSharedInterruptibly(1);
doAcquireSharedInterruptibly(arg); parkAndCheckInterrupt 锁住当前线程
如果解锁 释放下个node 线程
unparkSuccessor
doReleaseShared 解锁
               if (ws == Node.SIGNAL) {
                    if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
                        continue;            // loop to recheck cases
                    unparkSuccessor(h);
                    
                    解锁下一个
                            Node s = node.next;
        if (s == null || s.waitStatus > 0) {
            s = null;
            for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
                if (t.waitStatus <= 0)
                    s = t;
        }
        if (s != null)
            LockSupport.unpark(s.thread);
            下一个受到提醒
                       if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    throw new InterruptedException();

 throws InterruptedException {
        final Node node = addWaiter(Node.SHARED);
        boolean failed = true;
        try {
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                if (p == head) {
                    int r = tryAcquireShared(arg);
                    if (r >= 0) {
                        setHeadAndPropagate(node, r);
                        p.next = null; // help GC
                        failed = false;
                        return;
                    }
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    throw new InterruptedException();
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }

 

<think>我们正在讨论Java并发编程中的CLH队列。根据引用内容,CLH队列是一种高效的自旋锁算法,用于实现线程间的无锁协作。在Java中,AQS(AbstractQueuedSynchronizer)使用了CLH队列的变体来管理等待获取共享资源的线程。 用户的问题:Java中的CLH队列是什么以及它在并发编程中的作用? 回答结构: 1. 定义CLH队列:解释CLH队列的起源和基本概念。 2. CLH队列的工作原理:描述其基本操作(如入队、出队)和自旋机制。 3. AQS中的CLH变体:说明AQS如何改造CLH队列以适应Java并发需求。 4. CLH队列在并发编程中的作用:总结其优势和实际应用。 注意:根据引用[2],CLH队列在AQS中被用来封装每条请求共享资源的线程,每个线程被封装成一个节点(Node),然后加入到CLH锁队列中,以实现锁的分配。同时,引用[4]展示了AQS中入队操作(enq方法)的代码片段,这是一个循环CAS操作,用于将节点安全地添加到队列尾部。 我们开始详细回答:</think>### Java 中的 CLH 队列解析 #### 一、CLH 队列的本质 CLH 队列(Craig, Landin, and Hagersten)是一种**无锁的线程排队机制**,其核心是通过**虚拟双向链表**实现线程的高效调度。在 Java 并发框架中,它被抽象为以下结构: ```java // AQS 中的节点定义(简化) static final class Node { volatile int waitStatus; // 节点状态(如 CANCELLED/SIGNAL) volatile Node prev; // 前驱节点指针 volatile Node next; // 后继节点指针 volatile Thread thread; // 绑定的线程 } ``` - **虚拟队列**:仅通过节点间的 `prev/next` 指针关联,不存在独立的队列容器[^2] - **自旋检测**:线程通过自旋检查前驱节点状态决定是否获取锁 - **无锁设计**:基于 CAS 原子操作实现节点插入/移除 #### 二、CLH 在 AQS 中的实现原理 1. **队列初始化** 首次竞争资源时,AQS 创建虚拟头节点(`new Node()`): ```mermaid graph LR Head[虚拟头节点] --> Tail[尾节点] ``` - 通过 `compareAndSetHead()` 确保原子初始化[^4] 2. **线程入队流程** 当线程获取资源失败时,通过 `enq()` 方法加入队列尾部: ```java private Node enq(final Node node) { for (;;) { Node t = tail; if (t == null) { // 初始化 if (compareAndSetHead(new Node())) tail = head; } else { node.prev = t; // 1. 设置前驱指针 if (compareAndSetTail(t, node)) { // 2. CAS更新尾节点 t.next = node; // 3. 建立后继链接 return t; } } } } ``` - **关键操作**:通过 CAS 保证多线程并发入队的安全性[^4] 3. **自旋检测机制** 节点在队列中自旋检查前驱状态: ```java final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { for (;;) { final Node p = node.predecessor(); if (p == head && tryAcquire(arg)) { // 检查是否轮到当前节点 setHead(node); // 成功获取资源 return true; } if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)) LockSupport.park(this); // 挂起线程 } } ``` - 当头节点释放资源时,唤醒后继节点继续尝试获取 #### 三、CLH 在并发编程中的作用 1. **解决锁竞争问题** - 将竞争线程组织成 FIFO 队列,避免饥饿现象 - 通过前驱节点状态检测减少不必要的 CPU 空转 2. **支撑 AQS 同步器** CLH 变体作为底层框架支撑: - `ReentrantLock`:实现公平锁的线程排队 - `CountDownLatch`:阻塞线程直到计数器归零 - `Semaphore`:管理许可证的获取/释放队列 3. **性能优势** | 特性 | 传统锁 | CLH 队列 | |------|--------|----------| | 锁竞争 | 高冲突 | 低冲突 | | 内存开销 | 全局锁变量 | 分布式节点状态 | | 伸缩性 | 随线程数下降 | 保持稳定 | > **典型场景**:当 100 个线程竞争 `ReentrantLock` 时,CLH 队列将线程按申请顺序排队,头节点释放锁后仅唤醒直接后继节点,避免"惊群效应"[^3]。 #### 四、CLH 的变体设计 AQS 对传统 CLH 的改进: 1. **状态扩展** 增加 `waitStatus` 字段支持: - `CANCELLED(1)`:线程取消等待 - `SIGNAL(-1)`:后继节点需要唤醒 - `CONDITION(-2)`:条件队列专用 2. **超时机制** 通过 `System.nanoTime()` 实现限时获取: ```java if (nanosTimeout <= spinForTimeoutThreshold) LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout); ``` 3. **条件队列集成** 通过 `ConditionObject` 实现等待/通知机制,与主队列分离但可转移节点。 > 该设计使单个 AQS 实例可同时支持**独占锁**(如 `ReentrantLock`)和**共享模式**(如 `Semaphore`)[^3]。
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