Java多线程之自旋锁与队列锁
phxv5212
9年前
<p>编写高效的并发程序，需要对互斥问题重新研究，设计出适用于多线程的互斥协议。那么问题来了，如果不能获得锁，应该怎么做？</p> <ul> <li> <p>旋转：继续进行尝试，如自旋锁，延迟较短；</p> </li> <li> <p>阻塞：挂起自己，请求调度器切换到另一个线程，代价较大。</p> </li> </ul> <p>综合来看，先旋转一小段时间再阻塞，是种不错的选择。</p> <p>java.util.concurrent.locks.Lock 接口提供了 lock() 和 unlock() 两个重要的方法，用于解决实际互斥问题。</p> <pre> <code class="language-java">Lock mutex = new MyLock(); mutex.lock(); try { do something } finally { mutex.unlock(); }</code></pre> <h2>测试-设置锁</h2> <p>测试-设置来源于 getAndSet() 操作，通过一个原子布尔型状态变量的值判断当前锁的状态。若为 true 表示锁忙，若为 false 表示锁空闲。</p> <pre> <code class="language-java">public class TASLock { AtomicBoolean state = new AtomicBoolean(false); public void lock() { while (state.getAndSet(true)) { ; } } public void unlock() { state.set(false); } }</code></pre> <h2>测试-测试-设置锁</h2> <p>TTASLock是升级版的TASLock算法，没有直接调用 getAndSet() 方法，而是在锁看起来空闲（ state.get() 返回 false ）时才调用。</p> <pre> <code class="language-java">public class TTASLock { AtomicBoolean state = new AtomicBoolean(false); public void lock() { while (true) { while (state.get()) { ; } if (! state.getAndSet(true)) { return; } } } public void unlock() { state.set(false); } }</code></pre> <p>这两个算法都能保证无死锁的互斥，但是TTASLock的性能会比TASLock高许多。</p> <p>可以从计算机系统结构的高速缓存和局部性来解释这个问题，每个处理器都有一个cache，cache的访问速度比内存快好几个数量级。当cache命中时，会立即加载这个值；当cache缺失时，会在内存或两一个处理器的cache中寻找这个数据。寻找的过程比较漫长，处理器在总线上广播这个地址，其他处理器监听总线。若其他处理器在自己的cache中发现这个地址，则广播该地址及其值来做出响应。若所有处理器都没发现这个地址，则以内存地址及其所对应的值进行响应。</p> <p>getAndSet() 的直接调用让TASLock性能损失许多：</p> <ul> <li> <p>getAndSet() 的调用实质是总线上的一个广播，这个调用将会延迟所有的线程，因为所有线程都要通过监听总线通信。</p> </li> <li> <p>getAndSet() 的调用会更新 state 的值，即使值仍为 true ，但是其他处理器cache中的锁副本将会被丢弃，从而导致cache缺失。</p> </li> <li> <p>当持有锁的线程试图释放锁时可能被延迟，因为总线被正在自旋的线程独占。</p> </li> </ul> <p>与此相反，对于TTASLock算法采用的是本地旋转（线程反复地重读被缓存的值而不是反复地使用总线），线程A持有锁时，线程B尝试获得锁，但线程B只会在第一次读锁是cache缺失，之后每次cache命中不产生总线流量。</p> <p>那么缺点来了，TTASLock释放锁时，会使各自旋线程处理器中的cache副本立即失效，这些线程会重新读取这个值，造成总线流量风暴。</p> <h2>指数后退锁</h2> <p>对于TTASLock算法，当锁看似空闲（ state.get() 返回 false ）时，存在高争用（多个线程试图同时获取一个锁）的可能。高争用意味着获取锁的可能性小，并且会造成总线流量增加。线程在重试之前回退一段时间是种不错的选择。</p> <p>这里实现的指数回退算法的回退准则是，不成功尝试的次数越多，发生争用的可能性就越高，线程需要后退的时间就应越长。</p> <pre> <code class="language-java">public class BackoffLock { private AtomicBoolean state = new AtomicBoolean(false); private static final int MIN_DELAY = 10; private static final int MAX_DELAY = 100; public void lock() { Backoff backoff = new Backoff(MIN_DELAY, MAX_DELAY); while (true) { while (state.get()) { ; } if (! state.getAndSet(true)) { return; } else { backoff.backoff(); } } } public void unlock() { state.set(false); } } class Backoff { private final int minDelay, maxDelay; int limit; final Random random; public Backoff(int min, int max) { minDelay = min; maxDelay = max; limit = minDelay; random = new Random(); } public void backoff() { int delay = random.nextInt(limit); limit = Math.min(maxDelay, 2 * limit); try { Thread.sleep(delay); } catch (InterruptedException e) { ; } } }</code></pre> <p>指数后退算法解决了TTASLock释放锁时的高争用问题，但是它的性能与 minDelay 和 maxDelay 的选取密切相关，并且很难找到一个通用兼容的值。</p> <p>另外，BackoffLock算法还有两个问题：</p> <ul> <li> <p>cache一致性流量：所有线程都在同一个共享存储单元上旋转；</p> </li> <li> <p>临界区利用率低：后退时间无法确定，线程延迟可能过长。</p> </li> </ul> <h2>基于数组的锁</h2> <p>下面的这些是队列锁，名字看上去奇形怪状的，其实是发明者名字的首字母。队列锁就是将线程组织成一个队列，让每个线程在不同的存储单元上旋转，从而降低cache一致性流量。</p> <p>基于循环数组实现队列锁ALock，每个线程检测自己的slot对应的 flag[] 域来判断是否轮到自己。</p> <p>一个线程想获得锁，就要调用 lock() 方法，获得自增 tail 获得分配的slot号，然后等待这个slot空闲；当释放锁时，就要阻塞当前slot，然后让下一个slot可运行。</p> <p>当 flag[i] 为 true 时，那么这个线程就有权获得锁。任意时刻的 flag[] 数组中，应该只有一个slot的值为 true 。</p> <pre> <code class="language-java">public class ALock { ThreadLocal<Integer> mySlotIndex = new ThreadLocal<Integer>(); AtomicInteger tail; volatile boolean [] flag; int size; public ALock() { size = 100; tail = new AtomicInteger(0); flag = new boolean[size]; flag[0] = true; } public void lock() { int slot = tail.getAndIncrement() % size; mySlotIndex.set(slot); while (! flag[slot]) { ; } } public void unlock() { int slot = mySlotIndex.get(); flag[slot] = false; flag[(slot + 1) % size] = true; } }</code></pre> <ul> <li> <p>mySlotIndex 是线程的局部变量，只能被一个线程访问，每个线程都有自己独立初始化的副本。不需要保存在共享存储器，不需要同步，不会产生一致性流量。使用 get() 和 set() 方法来访问局部变量的值。</p> </li> <li> <p>tail 是常规变量，域被所有的线程共享，支持原子操作。</p> </li> <li> <p>数组 flag[] 也是被多个线程共享的，但是每个线程都是在一个数组元素的本地cache副本上旋转。</p> </li> </ul> <p>ALock对BackoffLock的改进：在多个共享存储单元上旋转，将cache无效性降到最低；把一个线程释放锁和另一个线程获得该锁之间的时间间隔最小化；先来先服务的公平性。但是，数组的大小至少与最大的并发线程数相同，并不是空间有效的，当并发线程最大个数为n时，同步L个不同对象就需要O(Ln)大小的空间。</p> <h2>CLH队列锁</h2> <p>CLH队列锁表示为 QNode 对象的链表，每个线程通过一个线程局部变量 pred 指向其前驱。每个线程通过检测前驱结点的 locked 域来判断是否轮到自己。如果该域为 true ，则前驱线程要么已经获得锁要么正在等待锁；如果该域为 false ，则前驱进程已释放锁，轮到自己了。正常情况下，队列链中只有一个结点的 locked 域为 false 。</p> <p>当一个线程调用 lock() 方法想获得锁时，将自己的 locked 域置为 true ，表示该线程不准备释放锁，然后并将自己的结点加入到队列链尾部。最后就是在前驱的 locked 域上旋转，等待前驱释放锁。当这个线程调用 unlock() 方法要释放锁时，线程要将自己的 locked 域置为 false ，表示已经释放锁，然后将前驱结点作为自己的新结点以便日后访问。</p> <p>那么问题来了，为什么要在释放锁时做 myNode.set(myPred.get()) 这个处理呢？假设线程A释放锁，A的后继结点为B，如果不使用这种处理方式，A在释放锁后马上申请锁将自己的 locked 域置为 true ，整个动作在B检测到前驱A释放锁之前，那么将发生死锁。</p> <pre> <code class="language-java">public class CLHLock { AtomicReference<QNode> tail; ThreadLocal<QNode> myPred; ThreadLocal<QNode> myNode; public CLHLock() { tail = new AtomicReference<QNode>(new QNode()); myPred = new ThreadLocal<QNode>() { protected QNode initialValue() { return null; } }; myNode = new ThreadLocal<QNode>() { protected QNode initialValue() { return new QNode(); } }; } public void lock() { QNode qnode = myNode.get(); qnode.locked = true; QNode pred = tail.getAndSet(qnode); myPred.set(pred); while (pred.locked) { ; } } public void unlock() { QNode qnode = myNode.get(); qnode.locked = false; myNode.set(myPred.get()); } class QNode { boolean locked = false; } }</code></pre> <p>如果最大线程数为n，有L个不同对象，那么CLHLock只需要O(L+n)空间。比ALock所需空间少，并且不需要知道可能使用锁的最大线程数量。但是，在无cache的系统上性能较差，因为一次要访问两个结点，若这两个结点内存位置较远，性能损失会很大。</p> <h2>MCS队列锁</h2> <p>MCS队列锁通过检测自己所在结点的 locked 的值来判断是否轮到自己，等待这个域被前驱释放锁时改变。</p> <p>线程若要获得锁，需把自己结点添加到链表的尾部。若队列链表原先为空，则获得锁。否则，将前驱结点的 next 域指向自己，在自己的 locked 域上自旋等待，直到前驱将该域置为 false 。线程若要释放锁，判断是否在队尾，如果是只需将 tail 置为 null ，如果不是需将后继的 locked 域置为 false 且将自己结点的 next 域置为默认的 null 。注意在队尾的情况，可能有个线程正在获得锁，要等一下变为后一种情况。</p> <pre> <code class="language-java">public class MCSLock { AtomicReference<QNode> tail; ThreadLocal<QNode> myNode; public MCSLock() { tail = new AtomicReference<QNode>(null); myNode = new ThreadLocal<QNode>() { protected QNode initialValue() { return new QNode(); } }; } public void lock() { QNode qnode = myNode.get(); QNode pred = tail.getAndSet(qnode); if (pred != null) { qnode.locked = true; pred.next = qnode; while (qnode.locked) { ; } } } public void unlock() { QNode qnode = myNode.get(); if (qnode.next == null) { if (tail.compareAndSet(qnode, null)) { return; } while (qnode.next == null) { ; } } qnode.next.locked = false; qnode.next = null; } class QNode { boolean locked = false; QNode next = null; } }</code></pre> <p>结点能被重复使用，该锁的空间复杂度为O(L+n)。MCSLock算法适合无cache的系统结构，因为每个线程只需控制自己自旋的存储单元。但是，释放锁也需要旋转，另外读写比较次数比CLHLock多。</p> <h2>时限队列锁</h2> <p>Lock接口中有个一个 tryLock() 方法，可以指定一个时限（获得锁可等待的最大时间），若获得锁超时则放弃尝试。最后返回一个布尔值说明锁是否申请成功。</p> <p>时限队列锁TOLock是基于CLHLock类的，锁是一个结点的虚拟队列，每个结点在它的前驱结点上自旋等待锁释放。但是当这个线程超时时，不能简单的抛弃它的队列结点，而是将这个结点标记为已废弃，这样它的后继们（如果有）就会注意到这个结点已放弃，转而在放弃结点的前驱上自旋。为了保证队列链表的连续性，每次申请锁都会 new 一个 QNode 。</p> <p>时限队列锁结点的域 pred 会特殊一点，它有3种类型的取值：</p> <ul> <li> <p>null ：初始状态，未获得锁或已释放锁；</p> </li> <li> <p>AVAILABLE ：一个静态结点，表示对应结点已释放锁，申请锁成功；</p> </li> <li> <p>QNode ： pred 域为 null 的前驱结点，表示对应结点因超时放弃锁请求，在放弃请求时才会设置这个值。</p> </li> </ul> <p>申请锁时，创建一个 pred 域为 null 的新结点并加入到链表尾部，若原先链表为空或前驱结点已释放锁，则获得锁。否则，在尝试时间内，找到 pred 域为 null 的前驱结点，等待它释放锁。若在等待前驱结点释放锁的过程中超时，就尝试从链表中删除这个结点，要分这个结点是否有后继两种情况。</p> <p>释放锁时，检查该结点是否有后继，若无后继可直接把 tail 设置为 null ，否则将该结点的 pred 域指向 AVAILABLE 。</p> <pre> <code class="language-java">public class TOLock { static QNode AVAILABLE = new QNode(); AtomicReference<QNode> tail; ThreadLocal<QNode> myNode; public TOLock() { tail = new AtomicReference<QNode>(null); myNode = new ThreadLocal<QNode>(); } public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) { long startTime = System.currentTimeMillis(); long patience = TimeUnit.MILLISECONDS.convert(time, unit); QNode qnode = new QNode(); myNode.set(qnode); qnode.pred = null; QNode myPred = tail.getAndSet(qnode); if (myPred == null || myPred.pred == AVAILABLE) { return true; } while (System.currentTimeMillis() - startTime < patience) { QNode predPred = myPred.pred; if (predPred == AVAILABLE) { return true; } else { if (predPred != null) { myPred = predPred; } } } if (! tail.compareAndSet(qnode, myPred)) { qnode.pred = myPred; } return false; } public void unlock() { QNode qnode = myNode.get(); if (! tail.compareAndSet(qnode, null)) { qnode.pred = AVAILABLE; } } static class QNode { public QNode pred = null; } }</code></pre> <p>优点：同CLHLock。缺点：每次申请锁都要分配一个新结点，在锁上旋转的线程可能要回溯一个超时结点链。</p> <p>上面实现的这些锁算法不支持重入。我们可以使用银行转账的例子来测试一下锁的效果，任意账户间可以随意转账，锁生效时所有账户的总金额是不变的。完整的算法实现和测试代码在 <a href="/misc/goto?guid=4959670719143545615" rel="nofollow,noindex">这里</a> 。</p>