CLH队列锁

Posted 2020-10-02 yutingliuyl

http://blog.csdn.net/aesop_wubo/article/details/7533186

CLH锁即Craig, Landin, and Hagersten (CLH) locks。CLH锁是一个自旋锁。能确保无饥饿性。提供先来先服务的公平性。

CLH锁也是一种基于链表的可扩展、高性能、公平的自旋锁，申请线程仅仅在本地变量上自旋，它不断轮询前驱的状态，假设发现前驱释放了锁就结束自旋。

SMP(Symmetric Multi-Processor)。即对称多处理器结构，指server中多个CPU对称工作，每一个CPU訪问内存地址所需时间同样。其主要特征是共享，包括对CPU，内存，I/O等进行共享。SMP的长处是可以保证内存一致性。缺点是这些共享的资源非常可能成为性能瓶颈。随着CPU数量的添加，每一个CPU都要訪问同样的内存资源，可能导致内存訪问冲突，可能会导致CPU资源的浪费。经常使用的PC机就属于这样的。

NUMA(Non-Uniform Memory Access)非一致存储訪问，将CPU分为CPU模块，每一个CPU模块由多个CPU组成，而且具有独立的本地内存、I/O槽口等，模块之间能够通过互联模块相互訪问，訪问本地内存的速度将远远高于訪问远地内存(系统内其他节点的内存)的速度，这也是非一致存储訪问NUMA的由来。NUMA长处是能够较好地解决原来SMP系统的扩展问题，缺点是因为訪问远地内存的延时远远超过本地内存，因此当CPU数量添加时。系统性能无法线性添加。

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表示该线程须要获取锁，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由于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上另一个尾指针，始终指向队列的最后一个结点。

CLHLock的类图例如以下所看到的：

当一个线程须要获取锁时，会创建一个新的QNode。将当中的locked设置为true表示须要获取锁。然后线程对tail域调用getAndSet方法，使自己成为队列的尾部。同一时候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。

当一个线程须要释放锁时，将当前结点的locked域设置为false。同一时候回收前趋结点。例如以下图所看到的，线程A须要获取锁。其myNode域为true。些时tail指向线程A的结点，然后线程B也增加到线程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，它就能够获取锁扫行。明显线程A的myPred locked域为false，此时线程A获取到了锁。

整个CLH的代码例如以下，当中用到了ThreadLocal类，将QNode绑定到每个线程上，同一时候用到了AtomicReference,对尾指针的改动正是调用它的getAndSet()操作来实现的，它可以保证以原子方式更新对象引用。

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1. public class CLHLock implements Lock {  
2.     AtomicReference<QNode> tail = new AtomicReference<QNode>(new QNode());  
3.     ThreadLocal<QNode> myPred;  
4.     ThreadLocal<QNode> myNode;  
5.   
6.     public CLHLock() {  
7.         tail = new AtomicReference<QNode>(new QNode());  
8.         myNode = new ThreadLocal<QNode>() {  
9.             protected QNode initialValue() {  
10.                 return new QNode();  
11.             }  
12.         };  
13.         myPred = new ThreadLocal<QNode>() {  
14.             protected QNode initialValue() {  
15.                 return null;  
16.             }  
17.         };  
18.     }  
19.   
20.     @Override  
21.     public void lock() {  
22.         QNode qnode = myNode.get();  
23.         qnode.locked = true;  
24.         QNode pred = tail.getAndSet(qnode);  
25.         myPred.set(pred);  
26.         while (pred.locked) {  
27.         }  
28.     }  
29.   
30.     @Override  
31.     public void unlock() {  
32.         QNode qnode = myNode.get();  
33.         qnode.locked = false;  
34.         myNode.set(myPred.get());  
35.     }  
36. }     

从代码中能够看出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方法非常easy。仅仅须要将自己的locked域设置为false就可以。

CLH优缺点

CLH队列锁的长处是空间复杂度低（假设有n个线程。L个锁，每一个线程每次仅仅获取一个锁，那么须要的存储空间是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系统结构下性能非常差。在这样的系统结构下，每一个线程有自己的内存，假设前趋结点的内存位置比較远。自旋推断前趋结点的locked域，性能将大打折扣，可是在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。

參考资料：

A Hierarchical CLH Queue Lock

线程锁系列（1）：CLH Lock

The Art of Multiprocessor Programming