CLH隊列鎖

NUMA與SMP

SMP(Symmetric Multi-Processor)，即對稱多處理器結構，指服務器中多個CPU對稱工作，每個CPU訪問內存地址所需時間相同。其主要特徵是共享，包含對CPU，內存，I/O等進行共享。SMP的優點是能夠保證內存一致性，缺點是這些共享的資源很可能成爲性能瓶頸，隨着CPU數量的增加，每個CPU都要訪問相同的內存資源，可能導致內存訪問衝突，可能會導致CPU資源的浪費。常用的PC機就屬於這種。

NUMA(Non-Uniform Memory Access)非一致存儲訪問，將CPU分爲CPU模塊，每個CPU模塊由多個CPU組成，並且具有獨立的本地內存、I/O槽口等，模塊之間可以通過互聯模塊相互訪問，訪問本地內存的速度將遠遠高於訪問遠地內存(系統內其它節點的內存)的速度，這也是非一致存儲訪問NUMA的由來。NUMA優點是可以較好地解決原來SMP系統的擴展問題，缺點是由於訪問遠地內存的延時遠遠超過本地內存，因此當CPU數量增加時，系統性能無法線性增加。

CLH算法實現

CLH隊列中的結點QNode中含有一個locked字段，該字段若爲true表示該線程需要獲取鎖，且不釋放鎖，爲false表示線程釋放了鎖。結點之間是通過隱形的鏈表相連，之所以叫隱形的鏈表是因爲這些結點之間沒有明顯的next指針，而是通過myPred所指向的結點的變化情況來影響myNode的行爲。CLHLock上還有一個尾指針，始終指向隊列的最後一個結點。CLHLock的類圖如下所示：

當一個線程需要獲取鎖時，會創建一個新的QNode，將其中的locked設置爲true表示需要獲取鎖，然後線程對tail域調用getAndSet方法，使自己成爲隊列的尾部，同時獲取一個指向其前趨的引用myPred,然後該線程就在前趨結點的locked字段上旋轉，直到前趨結點釋放鎖。當一個線程需要釋放鎖時，將當前結點的locked域設置爲false，同時回收前趨結點。如下圖所示，線程A需要獲取鎖，其myNode域爲true，些時tail指向線程A的結點，然後線程B也加入到線程A後面，tail指向線程B的結點。然後線程A和B都在它的myPred域上旋轉，一量它的myPred結點的locked字段變爲false，它就可以獲取鎖掃行。明顯線程A的myPred locked域爲false，此時線程A獲取到了鎖。

整個CLH的代碼如下，其中用到了ThreadLocal類，將QNode綁定到每一個線程上，同時用到了AtomicReference,對尾指針的修改正是調用它的getAndSet()操作來實現的，它能夠保證以原子方式更新對象引用。

public class CLHLock implements Lock {
    AtomicReference<QNode> tail = new AtomicReference<QNode>(new QNode());
    ThreadLocal<QNode> myPred;
    ThreadLocal<QNode> myNode;

    public CLHLock() {
        tail = new AtomicReference<QNode>(new QNode());
        myNode = new ThreadLocal<QNode>() {
            protected QNode initialValue() {
                return new QNode();
            }
        };
        myPred = new ThreadLocal<QNode>() {
            protected QNode initialValue() {
                return null;
            }
        };
    }

    @Override
    public void lock() {
        QNode qnode = myNode.get();
        qnode.locked = true;
        QNode pred = tail.getAndSet(qnode);
        myPred.set(pred);
        while (pred.locked) {
        }
    }

    @Override
    public void unlock() {
        QNode qnode = myNode.get();
        qnode.locked = false;
        myNode.set(myPred.get());
    }
}

從代碼中可以看出lock方法中有一個while循環，這 是在等待前趨結點的locked域變爲false，這是一個自旋等待的過程。unlock方法很簡單，只需要將自己的locked域設置爲false即可。

CLH優缺點

CLH隊列鎖的優點是空間複雜度低（如果有n個線程，L個鎖，每個線程每次只獲取一個鎖，那麼需要的存儲空間是O（L+n），n個線程有n個myNode，L個鎖有L個tail），CLH的一種變體被應用在了JAVA併發框架中。唯一的缺點是在NUMA系統結構下性能很差，在這種系統結構下，每個線程有自己的內存，如果前趨結點的內存位置比較遠，自旋判斷前趨結點的locked域，性能將大打折扣，但是在SMP系統結構下該法還是非常有效的。一種解決NUMA系統結構的思路是MCS隊列鎖。