算法：CLH锁的原理及实现

Posted 2022-09-29 志波同学

一、背景
1.1 SMP(Symmetric Multi-Processor)
对称多处理器结构，它是相对非对称多处理技术而言的、应用十分广泛的并行技术。在这种架构中，一台计算机由多个CPU组成，并共享内存和其他资源，所有的CPU都可以平等地访问内存、I/O和外部中断。虽然同时使用多个CPU，但是从管理的角度来看，它们的表现就像一台单机一样。操作系统将任务队列对称地分布于多个CPU之上，从而极大地提高了整个系统的数据处理能力。但是随着CPU数量的增加，每个CPU都要访问相同的内存资源，共享资源可能会成为系统瓶颈，导致CPU资源浪费。

1.2 NUMA(Non-Uniform Memory Access)
非一致存储访问，将CPU分为CPU模块，每个CPU模块由多个CPU组成，并且具有独立的本地内存、I/O槽口等，模块之间可以通过互联模块相互访问，访问本地内存（本CPU模块的内存）的速度将远远高于访问远地内存(其他CPU模块的内存)的速度，这也是非一致存储访问的由来。NUMA较好地解决SMP的扩展问题，当CPU数量增加时，因为访问远地内存的延时远远超过本地内存，系统性能无法线性增加。

1.3 CLH、MCS命名来源

• MCS：John Mellor-Crummey and Michael Scott
• CLH：Craig，Landin andHagersten

二、CLH锁
CLH是一种基于单向链表的高性能、公平的自旋锁。申请加锁的线程通过前驱节点的变量进行自旋。在前置节点解锁后，当前节点会结束自旋，并进行加锁。在SMP架构下，CLH更具有优势。在NUMA架构下，如果当前节点与前驱节点不在同一CPU模块下，跨CPU模块会带来额外的系统开销，而MCS锁更适用于NUMA架构。

锁值：我把自旋条件定义为锁值 locked。locked == true 表示节点的处于加锁状态或者等待加锁状态，locked == false 表示节点处于解锁状态。

1. 基于线程当前节点的前置节点的锁值（locked）进行自旋，locked == true 自旋，locked == false 加锁成功。
2. locked == true 表示节点处于加锁状态或者等待加锁状态。
3. locked == false 表示节点处于解锁状态。
4. 每个节点在解锁时更新自己的锁值（locked），在这一时刻，该节点的后置节点会结束自旋，并进行加锁。

2.1 加锁逻辑

1. 获取当前线程的锁节点，如果为空则进行初始化。
2. 通过同步方法获取尾节点，并将当前节点置为尾节点，此时获取到的尾节点为当前节点的前驱节点。
3. 如果尾节点为空，则表示当前节点为第一个节点，加锁成功。
4. 如果尾节点不为空，则基于前驱节点的锁值（locked==true）进行自旋，直到前驱节点的锁值 locked == false。

2.2 解锁逻辑

1. 获取当前线程的锁节点，如果节点为空或者锁值（locked== false）则无需解锁，直接返回。
2. 使用同步方法为尾节点赋空值，赋值不成功则表示当前节点不是尾节点，需要将当前节点的 locked == false 已保证解锁该节点。如果当前节点为尾节点，则无需设置该节点的锁值。因为该节点没有后置节点，即使设置了，也没有实际意义。

2.3 Java代码

package org.learn.lock;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

/**
 * MCS：John Mellor-Crummey and Michael Scott
 * CLH：Craig，Landin and Hagersten
 * @author zhibo
 * @version 1.0
 * @date 2018/11/7 10:39
 */
public class CLHLock implements Lock 
    private AtomicReference<CLHNode> tail;
    private ThreadLocal<CLHNode> threadLocal;

    public CLHLock() 
        this.tail = new AtomicReference<>();
        this.threadLocal = new ThreadLocal<>();
    

    @Override
    public void lock() 
        CLHNode curNode = threadLocal.get();
        if(curNode == null)
            curNode = new CLHNode();
            threadLocal.set(curNode);
        

        CLHNode predNode = tail.getAndSet(curNode);
        if(predNode != null)
            while (predNode.getLocked())

            
        
    

    @Override
    public void unlock() 
        CLHNode curNode = threadLocal.get();
        threadLocal.remove();

        if(curNode == null || curNode.getLocked() == false)
            return;
        

        if(!tail.compareAndSet(curNode, null))
            curNode.setLocked(false);
        
    

    public static void main(String[] args) 
        final Lock clhLock = new CLHLock();

        for (int i = 0; i < 10; i++) 
            new Thread(new DemoTask(clhLock, i + "")).start();
        
    

    class CLHNode 
        private volatile boolean locked = true;

        public boolean getLocked() 
            return locked;
        

        public void setLocked(boolean locked) 
            this.locked = locked;
        
    

package org.learn.lock;

/**
 * @author zhibo
 * @version 1.0
 * @date 2018/11/7 14:22
 */
public class DemoTask implements Runnable 
    private Lock lock;
    private String taskId;

    public DemoTask(final Lock lock, final String taskId)
        this.lock = lock;
        this.taskId = taskId;
    

    @Override
    public void run() 
        try 
            lock.lock();
            Thread.sleep(500);
            System.out.println(String.format("Thread %s Completed", taskId));
         catch (Exception e) 
            e.printStackTrace();
         finally 
            lock.unlock();
        
    

CLH锁就介绍到这里，后续会对MCS锁进行介绍，如有不正之处，欢迎批评指正，谢谢大家。