Different types of locks in Java - tenji/ks GitHub Wiki
根据线程运行状态是否改变来分类：
- 自旋锁
- 阻塞锁
根据线程执行顺序是否满足 FIFO 来分类：（这也就意味着公平锁需要维护一个队列）
- 公平锁
- 非公平锁
根据是否可以被多个线程持有来分类：
- 独占锁（排他锁）
- 共享锁
自旋锁是采用让当前线程不停地的在循环体内执行实现的，当循环的条件被其他线程改变时才能进入临界区。如下：
public class SpinLock {
private AtomicReference<Thread> sign = new AtomicReference<>();
public void lock(){
Thread current = Thread.currentThread();
while(!sign .compareAndSet(null, current)){
}
}
public void unlock (){
Thread current = Thread.currentThread();
sign .compareAndSet(current, null);
}
}使用了 CAS 原子操作，lock 函数将 owner 设置为当前线程，并且预测原来的值为空。unlock 函数将 owner 设置为 null，并且预测值为当前线程。
当有第二个线程调用 lock 操作时由于 owner 值不为空，导致循环一直被执行，直至第一个线程调用 unlock 函数将 owner 设置为 null，第二个线程才能进入临界区。
由于自旋锁只是将当前线程不停地执行循环体，不进行线程状态的改变，所以响应速度更快。但当线程数不停增加时，性能下降明显，因为每个线程都需要执行，占用 CPU 时间。如果线程竞争不激烈，并且保持锁的时间段。适合使用自旋锁。
注：该例子为非公平锁，获得锁的先后顺序，不会按照进入lock的先后顺序进行。
在自旋锁中，另有三种常见的锁形式：
- TicketLock
- CLHlock
- MCSlock
Ticket 锁主要解决的是访问顺序的问题，主要的问题是在多核 CPU 上。
package com.alipay.titan.dcc.dal.entity;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public class TicketLock {
private AtomicInteger serviceNum = new AtomicInteger();
private AtomicInteger ticketNum = new AtomicInteger();
private static final ThreadLocal<Integer> LOCAL = new ThreadLocal<Integer>();
public void lock() {
int myticket = ticketNum.getAndIncrement();
LOCAL.set(myticket);
while (myticket != serviceNum.get()) {
}
}
public void unlock() {
int myticket = LOCAL.get();
serviceNum.compareAndSet(myticket, myticket + 1);
}
}每次都要查询一个 serviceNum 服务号，影响性能（必须要到主内存读取，并阻止其他 CPU 修改）。
CLHLock 和 MCSLock 则是两种类型相似的公平锁，采用链表的形式进行排序。
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReferenceFieldUpdater;
public class CLHLock {
public static class CLHNode {
private volatile boolean isLocked = true;
}
@SuppressWarnings("unused")
private volatile CLHNode tail;
private static final ThreadLocal<CLHNode> LOCAL = new ThreadLocal<CLHNode>();
private static final AtomicReferenceFieldUpdater<CLHLock, CLHNode> UPDATER = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(CLHLock.class,
CLHNode.class, "tail");
public void lock() {
CLHNode node = new CLHNode();
LOCAL.set(node);
CLHNode preNode = UPDATER.getAndSet(this, node);
if (preNode != null) {
while (preNode.isLocked) {
}
preNode = null;
LOCAL.set(node);
}
}
public void unlock() {
CLHNode node = LOCAL.get();
if (!UPDATER.compareAndSet(this, node, null)) {
node.isLocked = false;
}
node = null;
}
}CLHlock 是不停的查询前驱变量，导致不适合在 NUMA 架构下使用（在这种结构下，每个线程分布在不同的物理内存区域）。MCSLock 则是对本地变量的节点进行循环。不存在 CLHlock 的问题。
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReferenceFieldUpdater;
public class MCSLock {
public static class MCSNode {
volatile MCSNode next;
volatile boolean isLocked = true;
}
private static final ThreadLocal<MCSNode> NODE = new ThreadLocal<MCSNode>();
@SuppressWarnings("unused")
private volatile MCSNode queue;
private static final AtomicReferenceFieldUpdater<MCSLock, MCSNode> UPDATER = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(MCSLock.class,
MCSNode.class, "queue");
public void lock() {
MCSNode currentNode = new MCSNode();
NODE.set(currentNode);
MCSNode preNode = UPDATER.getAndSet(this, currentNode);
if (preNode != null) {
preNode.next = currentNode;
while (currentNode.isLocked) {
}
}
}
public void unlock() {
MCSNode currentNode = NODE.get();
if (currentNode.next == null) {
if (UPDATER.compareAndSet(this, currentNode, null)) {
} else {
while (currentNode.next == null) {
}
}
} else {
currentNode.next.isLocked = false;
currentNode.next = null;
}
}
}从代码上看，CLH 要比 MCS 更简单。CLH 的队列是隐式的队列，没有真实的后继结点属性。MCS 的队列是显式的队列，有真实的后继结点属性。JUC ReentrantLock 默认内部使用的锁即是 CLH 锁（有很多改进的地方，将自旋锁换成了阻塞锁等等）。
阻塞锁，与自旋锁不同，改变了线程的运行状态。在 JAVA 环境中，线程 Thread 有如下几个状态：
- 新建状态（new）
- 就绪状态（runnable）
- 运行状态（running）
- 阻塞状态（block）
- 死亡状态（dead）
阻塞锁，可以说是让线程进入阻塞状态进行等待，当获得相应的信号（唤醒，时间） 时，才可以进入线程的准备就绪状态，准备就绪状态的所有线程，通过竞争，进入运行状态。
JAVA 中，能够进入\退出、阻塞状态或包含阻塞锁的方法有，synchronized 关键字（其中的重量锁），ReentrantLock，Object.wait()\notify()，LockSupport.park()/unpart()（j.u.c 经常使用）
下面是一个 JAVA 阻塞锁实例：
package lock;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReferenceFieldUpdater;
import java.util.concurrent.locks.LockSupport;
public class CLHLock1 {
public static class CLHNode {
private volatile Thread isLocked;
}
@SuppressWarnings("unused")
private volatile CLHNode tail;
private static final ThreadLocal<CLHNode> LOCAL = new ThreadLocal<CLHNode>();
private static final AtomicReferenceFieldUpdater<CLHLock1, CLHNode> UPDATER = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(CLHLock1.class, CLHNode.class, "tail");
public void lock() {
CLHNode node = new CLHNode();
LOCAL.set(node);
CLHNode preNode = UPDATER.getAndSet(this, node);
if (preNode != null) {
preNode.isLocked = Thread.currentThread();
LockSupport.park(this);
preNode = null;
LOCAL.set(node);
}
}
public void unlock() {
CLHNode node = LOCAL.get();
if (!UPDATER.compareAndSet(this, node, null)) {
System.out.println("unlock\t" + node.isLocked.getName());
LockSupport.unpark(node.isLocked);
}
node = null;
}
}在这里我们使用了 LockSupport.unpark() 的阻塞锁。 该例子是将 CLH 锁修改而成。阻塞锁的优势在于，阻塞的线程不会占用 CPU 时间， 不会导致 CPU 占用率过高，但进入时间以及恢复时间都要比自旋锁略慢。在竞争激烈的情况下 阻塞锁的性能要明显高于自旋锁。
理想的情况则是：在线程竞争不激烈的情况下，使用自旋锁，竞争激烈的情况下使用，阻塞锁。
只判断这个锁有没有被锁上，只要被锁上申请锁的线程都会被要求等待，实现起来相对简单。
相比不可重入锁，不仅判断锁有没有被锁上，还会判断锁是谁锁上的，当就是自己锁上的时候，那么他依旧可以再次访问临界资源，并把加锁次数加一。
设计了加锁次数，以在解锁的时候，可以确保所有加锁的过程都解锁了，其他线程才能访问。不然没有加锁的参考值，也就不知道什么时候解锁？解锁多少次？才能保证本线程已经访问完临界资源了可以唤醒其他线程访问了。实现相对复杂。