JDK里的自旋锁

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。

JDK里面自旋锁的实现有 SynchronousQueue  和 LinkedTransferQueue。  本文只是自己对源码的简单理解。

先说公平锁，先等待的线程先获得数据。SynchronousQueue的内部类TransferQueue实现了公平锁。

某一时刻 线程A看到内存的情况如下：   链表，head 和 tail 分别指向链首和链尾，并且线程执行了ht = tail 。

*
*  head            ht=tail
*    |               |
*    v               v
*    M ->  U -> U -> U
*

M 代表match ， 表示该节点已经匹配到了数据，  poll 等到了 offer ，或者 offer 等到了 poll 。

U 代表unmatch ， 表示该节点在等待填充数据或者数据等待poll 。

由于并发操作，经过其他线程的操作使得链表变成如下：（此操作是瞬间完成的）

*   head            ht         tail
*    |              |       |
*    v              v           v
*    M -> M1 -> U -> U -> U1 -> U2
*

有两个U节点(U1和U2)添加进来， 第二个节点U匹配到了数据，变成M1.

假设此时线程A想再往链表添加U节点：

那么需要进行那些操作？

1： 发现ht != tail , 于是需要继续循环

2：在 ht == tail 的情况下需要先 判断 tail.next 是否为null ， 如果不是则继续循环

3：新建一个node，将 tail.next 指向新node。

4：将U赋值给tail 。

*  head           tail
*    |              |
*    v              v
*    U -> U -> U -> U -> Un

/*
 *   head                tail
 *    |                   |
 *    v                   v
 *    U -> U -> U -> U -> Un
 *
 */

5：  自旋等待match。

6： 等待结束有两种可能结果： 6.1 超时取消    6.2 成功  

成功时： 此时自己的节点一定在第一位，因此只需将 head.next 指向node.next . 并且将 node.next 置空。

/*
 *                  head                    tail
 *                   |                        |
 *                   v                        v
 *    M  M  M  M  M  Mf -> U -> U -> U - > U ->U
 *
 */


/*
 *                      head               tail
 *                       |                   |
 *                       v                   v
 *    M  M  M  M  M  Mf  U -> U -> U - > U ->U
 *
 */

等待超时：此时Ux按理也应该来到了链首，前面node的也都超时了，但万一其他的线程没有获得cpu呢，就会出现如下的状况，需要将U前面的几个node也顺便清理掉

/*
 *                  head                    tail
 *                   |                        |
 *                   v                        v
 *    M  M  M  M  M  U -> U -> Ux -> U - > U ->U
 *
 */

假设此时线程A是想将U变成M，这个逻辑很简单，按顺序找到一个U，尝试给U的item赋值。成功结束，不成功继续循环。

E transfer(E e, boolean timed, long nanos) {

    QNode s = null; // constructed/reused as needed
    boolean isData = (e != null);

    for (;;) {
        QNode t = tail;
        QNode h = head;
        if (t == null || h == null)         // saw uninitialized value
            continue;                       // spin

        if (h == t || t.isData == isData) { // empty or same-mode
            QNode tn = t.next;
            if (t != tail)                  // inconsistent read
                continue;
            if (tn != null) {               // lagging tail
                advanceTail(t, tn);
                continue;
            }
            if (timed && nanos <= 0)        // can't wait
                return null;
            if (s == null)
                s = new QNode(e, isData);
            if (!t.casNext(null, s))        // failed to link in
                continue;

            advanceTail(t, s);              // swing tail and wait
            Object x = awaitFulfill(s, e, timed, nanos);
            if (x == s) {                   // wait was cancelled
                clean(t, s);
                return null;
            }

            if (!s.isOffList()) {           // not already unlinked
                advanceHead(t, s);          // unlink if head
                if (x != null)              // and forget fields
                    s.item = s;
                s.waiter = null;
            }
            return (x != null) ? (E)x : e;

        } else {                            // complementary-mode
            QNode m = h.next;               // node to fulfill
            if (t != tail || m == null || h != head)
                continue;                   // inconsistent read

            Object x = m.item;
            if (isData == (x != null) ||    // m already fulfilled
                x == m ||                   // m cancelled
                !m.casItem(x, e)) {         // lost CAS
                advanceHead(h, m);          // dequeue and retry
                continue;
            }

            advanceHead(h, m);              // successfully fulfilled
            LockSupport.unpark(m.waiter);
            return (x != null) ? (E)x : e;
        }
    }
}

自旋分析：

Object awaitFulfill(QNode s, E e, boolean timed, long nanos) {
    /* Same idea as TransferStack.awaitFulfill */
    final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
    Thread w = Thread.currentThread();
    int spins = ((head.next == s) ?
                 (timed ? maxTimedSpins : maxUntimedSpins) : 0);
    for (;;) {
        if (w.isInterrupted())
            s.tryCancel(e);
        Object x = s.item;
        if (x != e)
            return x;
        if (timed) {
            nanos = deadline - System.nanoTime();
            if (nanos <= 0L) {
                s.tryCancel(e);
                continue;
            }
        }
        if (spins > 0)
            --spins;
        else if (s.waiter == null)
            s.waiter = w;
        else if (!timed)
            LockSupport.park(this);
        else if (nanos > spinForTimeoutThreshold)
            LockSupport.parkNanos(this, nanos);
    }
}

循环判断 node.item 有没有变化，如果有变化则匹配成功，如果没有则继续循环， 循环一定的次数(spins)后还没有匹配成功则使用 LockSupport.park() 来阻塞线程。这个循环过程即可称为自旋。 如果等待时间为0，则spins为16，否则spins为16*32 .

以上可能多线程同时赋值的操作均采用了cas。

但是公平锁存在一个问题： 效率不够高。

/*
 *
 *  head            ht=tail
 *    |               |
 *    v               v
 *    M ->  U -> U -> U
 *   
 *   |
 *   |
 *  U变成M，但是此线程并没有获得cpu，没法立即执行，于是后面获得cpu的线程便有了意见，为啥不将数据给我，我能立即执行。
 */

要想解决此问题说来也十分简单，每个线程只需不停的将自己的node和head.next 进行交换即可优先获得task。 这个是在 TransferStack中实现的，说起来简单，但实现起来则困难得多。