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前记
JUC中的Lock中最核心的类AQS,其中AQS使用到了CLH队列的变种，故来研究一下CLH队列的原理及JAVA实现
一. CLH背景知识
CLH 锁的名字也与他们的发明人的名字相关：Craig，Landin and Hagersten。
CLH Lock摘要
CLH lock is Craig, Landin, and Hagersten (CLH) locks, CLH lock is a spin lock, can ensure no hunger, provide fairness first come first service.
The CLH lock is a scalable, high performance, fairness and spin lock based on the list, the application thread spin only on a local variable, it constantly polling the precursor state, if it is found that the pre release lock end spin.
CLH锁是自旋锁的一种，对它的研究是因为AQS源代码中使用了CLH锁的一个变种，为了更好的理解AQS中使用锁的思想，所以决定先好好理解CLH锁
二. CLH原理
CLH也是一种基于单向链表(隐式创建)的高性能、公平的自旋锁，申请加锁的线程只需要在其前驱节点的本地变量上自旋，从而极大地减少了不必要的处理器缓存同步的次数，降低了总线和内存的开销。
三. Java代码实现
类图
public interface Lock {
void lock();
void unlock();
}
public class QNode {
volatile boolean locked;
}
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
public class CLHLock implements Lock {
// 尾巴，是所有线程共有的一个。所有线程进来后，把自己设置为tail
private final AtomicReference<QNode> tail;
// 前驱节点，每个线程独有一个。
private final ThreadLocal<QNode> myPred;
// 当前节点，表示自己，每个线程独有一个。
private final ThreadLocal<QNode> myNode;
public CLHLock() {
this.tail = new AtomicReference<QNode>(new QNode());
this.myNode = new ThreadLocal<QNode>() {
protected QNode initialValue() {
return new QNode();
}
};
this.myPred = new ThreadLocal<QNode>();
}
@Override
public void lock() {
// 获取当前线程的代表节点
QNode node = myNode.get();
// 将自己的状态设置为true表示获取锁。
node.locked = true;
// 将自己放在队列的尾巴，并且返回以前的值。第一次进将获取构造函数中的那个new QNode
QNode pred = tail.getAndSet(node);
// 把旧的节点放入前驱节点。
myPred.set(pred);
// 判断前驱节点的状态，然后走掉。
while (pred.locked) {
}
}
@Override
public void unlock() {
// unlock. 获取自己的node。把自己的locked设置为false。
QNode node = myNode.get();
node.locked = false;
myNode.set(myPred.get());
}
}
简单的看一下CLH的算法定义
the list, the application thread spin only on a local variable, it constantly polling the precursor state, if it is found that the pre release lock end spin.
基于list，线程仅在一个局部变量上自旋，它不断轮询前一个节点状态，如果发现前一个节点释放锁结束.
所以在java中使用了ThreadLocal作为具体实现,AtomicReference为了消除多个线程并发对tail引用Node的影响，核心方法lock()中分为3个步骤去实现
-
初始状态 tail指向一个node(head)节点
private final AtomicReference<Node> tail = new AtomicReference<Node>(new Node()); -
thread加入等待队列: tail指向新的Node，同时Prev指向tail之前指向的节点，在java代码中使用了getAndSet即CAS操作使用
Node pred = this.tail.getAndSet(node); this.prev.set(pred); -
寻找当前线程对应的node的前驱node然后开始自旋前驱node的status判断是否可以获取lock
while (pred.locked);
同理unlock()方法，获取当前线程的node，设置lock status，将当前node指向前驱node(这样操作tail指向的就是前驱node等同于出队操作).至此CLH Lock的过程就结束了
测试CLHLock
public class CLHLockDemo2 {
public static void main(String[] args) {
final Kfc kfc = new Kfc();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread("eat" + i) {
public void run() {
kfc.eat();
}
}.start();
}
}
}
class Kfc {
private final Lock lock = new CLHLock();
private int i = 0;
public void eat() {
try {
lock.lock();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + --i);
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}
public void cook() {
try {
lock.lock();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": " + ++i);
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
运行结果
eat1: -1
eat0: -2
eat3: -3
eat4: -4
eat7: -5
eat2: -6
eat5: -7
eat6: -8
eat8: -9
eat9: -10
四. 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。
五. 了解与CLH对应的MCS自旋锁
MCS 自旋锁
MCS 的名称来自其发明人的名字：John Mellor-Crummey和Michael Scott。
MCS 的实现是基于链表的，每个申请锁的线程都是链表上的一个节点，这些线程会一直轮询自己的本地变量，来知道它自己是否获得了锁。已经获得了锁的线程在释放锁的时候，负责通知其它线程，这样 CPU 之间缓存的同步操作就减少了很多，仅在线程通知另外一个线程的时候发生，降低了系统总线和内存的开销。实现如下所示：
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReferenceFieldUpdater;
public class MCSLock {
public static class MCSNode {
volatile MCSNode next;
volatile boolean isWaiting = true; // 默认是在等待锁
}
volatile MCSNode queue;// 指向最后一个申请锁的MCSNode
private static final AtomicReferenceFieldUpdater<MCSLock, MCSNode> UPDATER = AtomicReferenceFieldUpdater
.newUpdater(MCSLock.class, MCSNode.class, "queue");
public void lock(MCSNode currentThread) {
MCSNode predecessor = UPDATER.getAndSet(this, currentThread);// step 1
if (predecessor != null) {
predecessor.next = currentThread;// step 2
while (currentThread.isWaiting) {// step 3
}
} else { // 只有一个线程在使用锁，没有前驱来通知它，所以得自己标记自己已获得锁
currentThread.isWaiting = false;
}
}
public void unlock(MCSNode currentThread) {
if (currentThread.isWaiting) {// 锁拥有者进行释放锁才有意义
return;
}
if (currentThread.next == null) {// 检查是否有人排在自己后面
if (UPDATER.compareAndSet(this, currentThread, null)) {// step 4
// compareAndSet返回true表示确实没有人排在自己后面
return;
} else {
// 突然有人排在自己后面了，可能还不知道是谁，下面是等待后续者
// 这里之所以要忙等是因为：step 1执行完后，step 2可能还没执行完
while (currentThread.next == null) { // step 5
}
}
}
currentThread.next.isWaiting = false;
currentThread.next = null;// for GC
}
}
MCS 的能够保证较高的效率，降低不必要的性能消耗，并且它是公平的自旋锁。
CLH 锁与 MCS 锁最大的不同是，MCS 轮询的是当前队列节点的变量，而 CLH 轮询的是当前节点的前驱节点的变量，来判断前一个线程是否释放了锁。
小结
CLH Lock是一种比较简单的自旋锁算法之一，因为锁的CAS操作涉及到了硬件的锁定(锁总线或者是锁内存)所以性能和CPU架构也密不可分，该兴趣的同学可以继续深入研究包括MCS锁等。CLH Lock是独占式锁的一种，并且是不可重入的锁，这篇文章是对AQS锁源代码分析的预热篇
参考内容：
https://segmentfault.com/a/1190000007094429
https://blog.csdn.net/faicm/article/details/80501465
https://blog.csdn.net/aesop_wubo/article/details/7533186
https://www.jianshu.com/p/0f6d3530d46b
https://blog.csdn.net/jjavaboy/article/details/78603477