java并发编程--自旋锁

自旋锁

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。


自旋锁代替互斥锁的实践:

理论分析

从理论上说, 如果一个线程尝试加锁一个互斥锁的时候没有成功, 因为互斥锁已经被锁住了, 这个未获取锁的线程会休眠以使得其它线程可以马上运行。 这个线程会一直休眠, 直到持有锁的线程释放了互斥锁, 休眠的线程才会被唤醒。 如果一个线程尝试获得一个自旋锁的时候没有成功, 该线程会一直尝试加锁直到成功获取锁。 因此它不允许其它线程运行(当然, 操作系统会在该线程所在的时间片用完时, 强制切换到其它线程)。

存在的问题

互斥锁存在的问题是, 线程的休眠和唤醒都是相当昂贵的操作, 它们需要大量的CPU指令, 因此需要花费一些时间。 如果互斥量仅仅被锁住很短的一段时间, 用来使线程休眠和唤醒线程的时间会比该线程睡眠的时间还长, 甚至有可能比不断在自旋锁上轮训的时间还长。自旋锁的问题是, 如果自旋锁被持有的时间过长, 其它尝试获取自旋锁的线程会一直轮训自旋锁的状态, 这将非常浪费CPU的执行时间, 这时候该线程睡眠会是一个更好的选择。

解决方案

在单核/单CPU系统上使用自旋锁是没用的, 因为当线程尝试获取自旋锁不成功的时候会一直尝试, 这会一直占用CPU, 其它线程不可能运行, 因为其他线程不能运行, 这个锁也就不会被解锁。 换句话说, 在单核/单CPU的系统上,自旋锁除了浪费时间没有一点好处。 这时如果这个线程(记为A)可以休眠, 其它线程可以立即运行, 因为其它有可能解锁, 那么线程A可能在唤醒后继续执行。

在多核/多CPU的系统上, 特别是大量的线程只会短时间的持有锁的时候, 在使线程睡眠和唤醒线程上浪费大量的时间, 也许会显著降低程序的运行性能。 使用自旋锁, 线程可以充分利用调度程序分配的时间片(经常阻塞很短的时间, 不用休眠, 然后马上继续它们的工作了), 以达到更高的处理能力和吞吐量。


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