自旋锁

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CAS

CAS算法是乐观锁的一种实现方式，CAS算法中又涉及到自旋锁。

CAS是英文单词Compare and Swap（比较并交换），是一种有名的无锁算法。无锁编程，即不使用锁的情况下实现多线程之间的变量同步，也就是在没有线程被阻塞的情况下实现变量的同步，所以也叫非阻塞同步（Non-blocking Synchronization）。

CAS算法涉及到三个操作数

1.需要读写的内存值 V
2.进行比较的值 A
3.拟写入的新值 B

更新一个变量的时候，只有当变量的预期值A和内存地址V当中的实际值相同时，才会将内存地址V对应的值修改为B，否则不会执行任何操作。一般情况下是一个自旋操作，即不断的重试。

 

自旋锁

自旋锁（spinlock）：是指当一个线程在获取锁的时候，如果锁已经被其它线程获取，那么该线程将循环等待，然后不断的判断锁是否能够被成功获取，直到获取到锁才会退出循环。

 

它是为实现保护共享资源而提出一种锁机制。其实，自旋锁与互斥锁比较类似，它们都是为了解决对某项资源的互斥使用。无论是互斥锁，还是自旋锁，在任何时刻，最多只能有一个保持者，也就说，在任何时刻最多只能有一个执行单元获得锁。但是两者在调度机制上略有不同。对于互斥锁，如果资源已经被占用，资源申请者只能进入睡眠状态。但是自旋锁不会引起调用者睡眠，如果自旋锁已经被别的执行单元保持，调用者就一直循环在那里看是否该自旋锁的保持者已经释放了锁，”自旋”一词就是因此而得名。

 

Java实现自旋锁

package org.fool.hellojava.lock;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

public class SpinLockTest {
    private static SpinLock lock = new SpinLock();

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            lock.lock();

            test();

            lock.unlock();
        }).start();

        new Thread(() -> {
            lock.lock();

            test();

            lock.unlock();
        }).start();

        new Thread(() -> {
            lock.lock();

            test();

            lock.unlock();
        }).start();
    }

    public static void test() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " invoked test...");

        try {
            Thread.sleep(500);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    private static class SpinLock {
        private AtomicReference<Thread> cas = new AtomicReference<>();

        public void lock() {
            Thread currentThread = Thread.currentThread();

            while (!cas.compareAndSet(null, currentThread)) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " waiting...");
            }
        }

        public void unlock() {
            Thread currentThread = Thread.currentThread();
            cas.compareAndSet(currentThread, null);
        }

    }
}

lock（)方法利用的CAS，当第一个线程A获取锁的时候，能够成功获取到，不会进入while循环，如果此时线程A没有释放锁，另一个线程B又来获取锁，此时由于不满足CAS，所以就会进入while循环，不断判断是否满足CAS，直到A线程调用unlock方法释放了该锁。

 

自旋锁的缺点

1.如果某个线程持有锁的时间过长，就会导致其它等待获取锁的线程进入循环等待，消耗CPU。使用不当会造成CPU使用率极高。
2.上面Java实现的自旋锁不是公平的，即无法满足等待时间最长的线程优先获取锁。不公平的锁就会存在“线程饥饿”问题。

自旋锁的优点

1.自旋锁不会使线程状态发生切换，一直处于用户态，即线程一直都是active的；不会使线程进入阻塞状态，减少了不必要的上下文切换，执行速度快
2.非自旋锁在获取不到锁的时候会进入阻塞状态，从而进入内核态，当获取到锁的时候需要从内核态恢复，需要线程上下文切换。 （线程被阻塞后便进入内核（Linux）调度状态，这个会导致系统在用户态与内核态之间来回切换，严重影响锁的性能）

Java实现可重入自旋锁

为了实现可重入锁，需要引入一个计数器，用来记录获取锁的线程数。

package org.fool.hellojava.lock;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

public class ReentrantSpinLockTest {

    private static ReentrantSpinLock lock = new ReentrantSpinLock();

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            lock.lock();

            test();

            lock.unlock();
        }).start();
    }

    public static void test() {
        lock.lock();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " invoked test...");

        try {
            Thread.sleep(5000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        lock.unlock();
    }

    private static class ReentrantSpinLock {
        private AtomicReference<Thread> cas = new AtomicReference<>();
        private int count;

        public void lock() {
            Thread currentThread = Thread.currentThread();

            if (currentThread == cas.get()) {
                count++;
                return;
            }

            while (!cas.compareAndSet(null, currentThread)) {
                // DO nothing
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " waiting...");
            }
        }

        public void unlock() {
            Thread currentThread = Thread.currentThread();
            if (currentThread == cas.get()) {
                if (count > 0) {
                    count--;
                } else {
                    cas.compareAndSet(currentThread, null);
                }
            }
        }
    }
}

 

自旋锁与互斥锁

1.自旋锁与互斥锁都是为了实现保护资源共享的机制。
2.无论是自旋锁还是互斥锁，在任意时刻，都最多只能有一个保持者。
3.获取互斥锁的线程，如果锁已经被占用，则该线程将进入睡眠状态；获取自旋锁的线程则不会睡眠，而是一直循环等待锁释放。

自旋锁总结

1.自旋锁：线程获取锁的时候，如果锁被其他线程持有，则当前线程将循环等待，直到获取到锁。
2.自旋锁等待期间，线程的状态不会改变，线程一直是用户态并且是活动的(active)。
3.自旋锁如果持有锁的时间太长，则会导致其它等待获取锁的线程耗尽CPU。
4.自旋锁本身无法保证公平性，同时也无法保证可重入性。
5.基于自旋锁，可以实现具备公平性和可重入性质的锁。