Java 并发编程学习笔记理解CLH队列锁算法

CLH算法实现

CLH队列中的结点QNode中含有一个locked字段，该字段若为true表示该线程需要获取锁，且不释放锁，为false表示线程释放了锁。结点之间是通过隐形的链表相连，之所以叫隐形的链表是因为这些结点之间没有明显的next指针，而是通过myPred所指向的结点的变化情况来影响myNode的行为。CLHLock上还有一个尾指针，始终指向队列的最后一个结点。CLHLock的类图如下所示：

当一个线程需要获取锁时，会创建一个新的QNode，将其中的locked设置为true表示需要获取锁，然后线程对tail域调用getAndSet方法，使自己成为队列的尾部，同时获取一个指向其前趋的引用myPred,然后该线程就在前趋结点的locked字段上旋转，直到前趋结点释放锁。当一个线程需要释放锁时，将当前结点的locked域设置为false，同时回收前趋结点。如下图所示，线程A需要获取锁，其myNode域为true，些时tail指向线程A的结点，然后线程B也加入到线程A后面，tail指向线程B的结点。然后线程A和B都在它的myPred域上旋转，一量它的myPred结点的locked字段变为false，它就可以获取锁扫行。明显线程A的myPred locked域为false，此时线程A获取到了锁。

整个CLH的代码如下，其中用到了ThreadLocal类，将QNode绑定到每一个线程上，同时用到了AtomicReference,对尾指针的修改正是调用它的getAndSet()操作来实现的，它能够保证以原子方式更新对象引用。

 1 public class CLHLock {  
 2     
 3     AtomicReference<QNode> tail = new AtomicReference<QNode>(new QNode());  
 4     ThreadLocal<QNode> myPred;  
 5     ThreadLocal<QNode> myNode;  
 6   
 7     public static class QNode {
 8         //注意这个地方 如果不加volatile则会导致线程永远死循环
 9         //关于volatile的用法在我的另外一篇文章 http://www.cnblogs.com/daxin/p/3364014.html
10         public volatile boolean locked = false;
11     }
12     
13     public CLHLock() {  
14         myNode = new ThreadLocal<QNode>() {  
15             protected QNode initialValue() {  
16                 return new QNode();  
17             }  
18         };  
19         myPred = new ThreadLocal<QNode>() {  
20             protected QNode initialValue() {  
21                 return null;  
22             }  
23         };  
24     }  
25   
26     public void lock() {  
27         QNode qnode = myNode.get();  
28         qnode.locked = true;  
29         QNode pred = tail.getAndSet(qnode);  
30         myPred.set(pred);  
31         while (pred.locked) {  
32             //非阻塞算法
33         }  
34     }  
35   
36     public void unlock() {  
37         QNode qnode = myNode.get();  
38         qnode.locked = false;  
39         myNode.set(myPred.get());  
40     }  
41 }

从代码中可以看出lock方法中有一个while循环，这是在等待前趋结点的locked域变为false，这是一个自旋等待的过程。unlock方法很简单，只需要将自己的locked域设置为false即可。

CLH优缺点

CLH队列锁的优点是空间复杂度低（如果有n个线程，L个锁，每个线程每次只获取一个锁，那么需要的存储空间是O（L+n），n个线程有n个myNode，L个锁有L个tail），CLH的一种变体被应用在了JAVA并发框架中。唯一的缺点是在NUMA系统结构下性能很差，在这种系统结构下，每个线程有自己的内存，如果前趋结点的内存位置比较远，自旋判断前趋结点的locked域，性能将大打折扣，但是在SMP系统结构下该法还是非常有效的。一种解决NUMA系统结构的思路是MCS队列锁。

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