golang 自旋鎖的實(shí)現(xiàn)

CAS算法（compare and swap）

CAS算法是一種有名的無鎖算法。無鎖編程，即不使用鎖的情況下實(shí)現(xiàn)多線程之間的變量同步，也就是在沒有線程被阻塞的情況下實(shí)現(xiàn)變量的同步，所以也叫非阻塞同步（Non-blocking Synchronization）。CAS算法涉及到三個(gè)操作數(shù)

• 需要讀寫的內(nèi)存值V
• 進(jìn)行比較的值A(chǔ)
• 擬寫入的新值B

當(dāng)且僅當(dāng) V 的值等于 A時(shí)，CAS通過原子方式用新值B來更新V的值，否則不會(huì)執(zhí)行任何操作（比較和替換是一個(gè)原子操作）。一般情況下是一個(gè)自旋操作，即不斷的重試。

自旋鎖

自旋鎖是指當(dāng)一個(gè)線程在獲取鎖的時(shí)候，如果鎖已經(jīng)被其他線程獲取，那么該線程將循環(huán)等待，然后不斷地判斷是否能夠被成功獲取，知直到獲取到鎖才會(huì)退出循環(huán)。

獲取鎖的線程一直處于活躍狀態(tài)，但是并沒有執(zhí)行任何有效的任務(wù)，使用這種鎖會(huì)造成 busy-waiting 。

它是為實(shí)現(xiàn)保護(hù)共享資源而提出的一種鎖機(jī)制。其實(shí)，自旋鎖與互斥鎖比較類似，它們都是為了解決某項(xiàng)資源的互斥使用。無論是互斥鎖，還是自旋鎖，在任何時(shí)刻，最多只能由一個(gè)保持者，也就說，在任何時(shí)刻最多只能有一個(gè)執(zhí)行單元獲得鎖。但是兩者在調(diào)度機(jī)制上略有不同。對(duì)于互斥鎖，如果資源已經(jīng)被占用，資源申請(qǐng)者只能進(jìn)入睡眠狀態(tài)。但是自旋鎖不會(huì)引起調(diào)用者睡眠，如果自旋鎖已經(jīng)被別的執(zhí)行單元保持，調(diào)用者就一直循環(huán)在那里看是否該自旋鎖的保持者已經(jīng)釋放了鎖，“自旋”一詞就是因此而得名。

golang實(shí)現(xiàn)自旋鎖

type spinLock uint32
func (sl *spinLock) Lock() {
  for !atomic.CompareAndSwapUint32((*uint32)(sl), 0, 1) {
    runtime.Gosched()
  }
}
func (sl *spinLock) Unlock() {
  atomic.StoreUint32((*uint32)(sl), 0)
}
func NewSpinLock() sync.Locker {
  var lock spinLock
  return lock
}

可重入的自旋鎖和不可重入的自旋鎖

文章開始的時(shí)候的那段代碼，仔細(xì)分析一下就可以看出，它是不支持重入的，即當(dāng)一個(gè)線程第一次已經(jīng)獲取到了該鎖，在鎖釋放之前又一次重新獲取該鎖，第二次就不能成功獲取到。由于不滿足CAS，所以第二次獲取會(huì)進(jìn)入while循環(huán)等待，而如果是可重入鎖，第二次也是應(yīng)該能夠成功獲取到的。

而且，即使第二次能夠成功獲取，那么當(dāng)?shù)谝淮吾尫沛i的時(shí)候，第二次獲取到的鎖也會(huì)被釋放，而這是不合理的。

為了實(shí)現(xiàn)可重入鎖，我們需要引入一個(gè)計(jì)數(shù)器，用來記錄獲取鎖的線程數(shù)

type spinLock struct {
   owner int
   count int
}

func (sl *spinLock) Lock() {
    me := GetGoroutineId()
    if spinLock .owner == me { // 如果當(dāng)前線程已經(jīng)獲取到了鎖，線程數(shù)增加一，然后返回
        sl.count++
        return
    }
    // 如果沒獲取到鎖，則通過CAS自旋
  for !atomic.CompareAndSwapUint32((*uint32)(sl), 0, 1) {
    runtime.Gosched()
  }
}
func (sl *spinLock) Unlock() {
   if rl.owner != GetGoroutineId() {
     panic("illegalMonitorStateError")
   }
   if sl.count >0 { // 如果大于0，表示當(dāng)前線程多次獲取了該鎖，釋放鎖通過count減一來模擬
      sl.count--
    }else { // 如果count==0，可以將鎖釋放，這樣就能保證獲取鎖的次數(shù)與釋放鎖的次數(shù)是一致的了。
      atomic.StoreUint32((*uint32)(sl), 0)
    }
}

func GetGoroutineId() int {
  defer func() {
    if err := recover(); err != nil {
      fmt.Println("panic recover:panic info:%v", err)   }
  }()

  var buf [64]byte
  n := runtime.Stack(buf[:], false)
  idField := strings.Fields(strings.TrimPrefix(string(buf[:n]), "goroutine "))[0]
  id, err := strconv.Atoi(idField)
  if err != nil {
    panic(fmt.Sprintf("cannot get goroutine id: %v", err))
  }
  return id
}


func NewSpinLock() sync.Locker {
  var lock spinLock
  return lock
}

自旋鎖的其他變種

1. TicketLock

TicketLock主要解決的是公平性的問題。

思路：每當(dāng)有線程獲取鎖的時(shí)候，就給該線程分配一個(gè)遞增的id，我們稱之為排隊(duì)號(hào)，同時(shí)，鎖對(duì)應(yīng)一個(gè)服務(wù)號(hào)，每當(dāng)有線程釋放鎖，服務(wù)號(hào)就會(huì)遞增，此時(shí)如果服務(wù)號(hào)與某個(gè)線程排隊(duì)號(hào)一致，那么該線程就獲得鎖，由于排隊(duì)號(hào)是遞增的，所以就保證了最先請(qǐng)求獲取鎖的線程可以最先獲取到鎖，就實(shí)現(xiàn)了公平性。

可以想象成銀行辦理業(yè)務(wù)排隊(duì)，排隊(duì)的每一個(gè)顧客都代表一個(gè)需要請(qǐng)求鎖的線程，而銀行服務(wù)窗口表示鎖，每當(dāng)有窗口服務(wù)完成就把自己的服務(wù)號(hào)加一，此時(shí)在排隊(duì)的所有顧客中，只有自己的排隊(duì)號(hào)與服務(wù)號(hào)一致的才可以得到服務(wù)。

2. CLHLock

CLH鎖是一種基于鏈表的可擴(kuò)展、高性能、公平的自旋鎖，申請(qǐng)線程只在本地變量上自旋，它不斷輪詢前驅(qū)的狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)前驅(qū)釋放了鎖就結(jié)束自旋，獲得鎖。

3. MCSLock

MCSLock則是對(duì)本地變量的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行循環(huán)。

4. CLHLock 和 MCSLock

都是基于鏈表，不同的是CLHLock是基于隱式鏈表，沒有真正的后續(xù)節(jié)點(diǎn)屬性，MCSLock是顯示鏈表，有一個(gè)指向后續(xù)節(jié)點(diǎn)的屬性。

將獲取鎖的線程狀態(tài)借助節(jié)點(diǎn)(node)保存,每個(gè)線程都有一份獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)，這樣就解決了TicketLock多處理器緩存同步的問題。

自旋鎖與互斥鎖

• 自旋鎖與互斥鎖都是為了實(shí)現(xiàn)保護(hù)資源共享的機(jī)制。
• 無論是自旋鎖還是互斥鎖，在任意時(shí)刻，都最多只能有一個(gè)保持者。
• 獲取互斥鎖的線程，如果鎖已經(jīng)被占用，則該線程將進(jìn)入睡眠狀態(tài)；獲取自旋鎖的線程則不會(huì)睡眠，而是一直循環(huán)等待鎖釋放。

總結(jié)：

• 自旋鎖：線程獲取鎖的時(shí)候，如果鎖被其他線程持有，則當(dāng)前線程將循環(huán)等待，直到獲取到鎖。
• 自旋鎖等待期間，線程的狀態(tài)不會(huì)改變，線程一直是用戶態(tài)并且是活動(dòng)的(active)。
• 自旋鎖如果持有鎖的時(shí)間太長，則會(huì)導(dǎo)致其它等待獲取鎖的線程耗盡CPU。
• 自旋鎖本身無法保證公平性，同時(shí)也無法保證可重入性。
• 基于自旋鎖，可以實(shí)現(xiàn)具備公平性和可重入性質(zhì)的鎖。
• TicketLock:采用類似銀行排號(hào)叫好的方式實(shí)現(xiàn)自旋鎖的公平性，但是由于不停的讀取serviceNum，每次讀寫操作都必須在多個(gè)處理器緩存之間進(jìn)行緩存同步，這會(huì)導(dǎo)致繁重的系統(tǒng)總線和內(nèi)存的流量，大大降低系統(tǒng)整體的性能。
• CLHLock和MCSLock通過鏈表的方式避免了減少了處理器緩存同步，極大的提高了性能，區(qū)別在于CLHLock是通過輪詢其前驅(qū)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，而MCS則是查看當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的鎖狀態(tài)。
• CLHLock在NUMA架構(gòu)下使用會(huì)存在問題。在沒有cache的NUMA系統(tǒng)架構(gòu)中，由于CLHLock是在當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的前一個(gè)節(jié)點(diǎn)上自旋,NUMA架構(gòu)中處理器訪問本地內(nèi)存的速度高于通過網(wǎng)絡(luò)訪問其他節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存，所以CLHLock在NUMA架構(gòu)上不是最優(yōu)的自旋鎖。

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