并发系列（3）之 CLH、MCS 队列锁简介

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这篇博客主要是作为 AbstractQueuedSynchronizer 的背景知识介绍；平时接触也非常的少，如果你不感兴趣可以跳过；但是了解一下能更加的清楚 AQS 的设计思路；

一、自旋锁简介

通常情况下解决多线程共享资源逻辑一致性问题有两种方式：

• 互斥锁：当发现资源被占用的时候，会阻塞自己直到资源解除占用，然后再次尝试获取；
• 自旋锁：当发现占用时，一直尝试获取锁（线程没有被挂起的过程，也就没有线程调度切换的消耗）；

对于这两种方式没有优劣之分，只有是否适合当前的场景；具体的对比就不在继续深入了，如果你很感兴趣可以查看 《多处理器编程的艺术》 提取码：rznn ；

但是如果竞争非常激烈的时候，使用自旋锁就会产生一些额外的问题：

• 可能导致一些线程始终无法获取锁（争抢的时候必然是当前活跃线程获得锁的几率大），也就是饥饿现象；
• 因为自旋锁会依赖一个共享的锁标识，所以竞争激烈的时候，锁标识的同步也需要消耗大量的资源；
• 如果要用自旋锁实现公平锁（即先到先获取），此时就还需要额外的变量，也会比较麻烦；

解决这些问题其中的一种办法就是使用队列锁，简单来讲就是让这些线程排队获取；下面我们介绍常用的两种，即 CLH 锁 和 MCS 锁；

二、CLH 锁

CLH 是 Craig、Landin 和 Hagersten 三位作者的缩写，具体内容在 《Building FIFO and Priority-Queuing Spin Locks from Atomic Swap》 论文中有详细介绍，大家可以自行查看；我们 JDK 中 java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer 就是根据 CLH 锁的变种实现的；

简单实现：

public class CLH implements Lock {
  private final ThreadLocal<Node> preNode = ThreadLocal.withInitial(() -> null);
  private final ThreadLocal<Node> node = ThreadLocal.withInitial(Node::new);
  private final AtomicReference<Node> tail = new AtomicReference<>(new Node());

  private static class Node {
    private volatile boolean locked;
  }

  @Override
  public void lock() {
    final Node node = this.node.get();
    node.locked = true;
    Node pre = this.tail.getAndSet(node);
    this.preNode.set(pre);
    while (pre.locked) ;
  }

  @Override
  public void unlock() {
    final Node node = this.node.get();
    node.locked = false;
    this.node.set(this.preNode.get());
  }
}

三、MCS 锁

同样 MCS 是 John M. Mellor-Crummey 和 Michael L. Scott 名字的缩写，具体内容可以在 《Algorithms for Scalable Synchronization on Shared-Memory Multiprocessors》 论文中查看；

简单实现：

public class MCS implements Lock {
  private final ThreadLocal<Node> node = ThreadLocal.withInitial(Node::new);
  private final AtomicReference<Node> tail = new AtomicReference<>();

  private static class Node {
    private volatile boolean locked = false;
    private volatile Node next = null;
  }

  @Override
  public void lock() {
    Node node = this.node.get();
    node.locked = true;
    Node pre = tail.getAndSet(node);
    if (pre != null) {
      pre.next = node;
      while (node.locked) ;
    }
  }

  @Override
  public void unlock() {
    Node node = this.node.get();
    if (node.next == null) {
      if (tail.compareAndSet(node, null)) {
        return;
      }
      while (node.next == null) ;
    }
    node.next.locked = false;
    node.next = null;
  }
}

总结

• 以上的代码我已经测试过，大家可以直接拿下来自行实验；
• CLH 锁和 MCS 锁区别主要有两点：1. 链表结构的区别；2. 自旋对象的区别，CLH 是在前驱节点上自旋，而 MCS 是在自身节点上自旋；这里第二点才是最重要的，主要体现在 SMP(Symmetric Multi-Processor) 和 NUMA(Non-Uniform Memory Access) 不同的处理器架构上；这里大家可以自行 Google；