MCS锁实现中的问题 - JAVA答案

【问题标题】：Problems in MCS Lock Implementation - JAVAMCS锁实现中的问题 - JAVA
【发布时间】：2018-01-15 16:37:28
【问题描述】：

我编写了以下代码（摘自《多处理器编程的艺术》一书）：

package Chapter7;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

public class MCSLock implements Lock {

    AtomicReference<QNode> tail;
    ThreadLocal<QNode> myNode;

    public MCSLock() {
        tail = new AtomicReference<>(null);
        myNode = new ThreadLocal<QNode>() {
            @Override
            protected QNode initialValue() {
                return new QNode();
            }
        };
    }

    @Override
    @SuppressWarnings("empty-statement")
    public void lock() {
        QNode qnode = myNode.get();
        QNode pred = tail.getAndSet(qnode);
        if (pred != null) {
            qnode.locked = true;
            pred.next = qnode;
            while (qnode.locked);   // line A
        }
    }

    @Override
    @SuppressWarnings("empty-statement")
    public void unlock() {
        QNode qnode = myNode.get();
        if (qnode.next == null) {
            if (tail.compareAndSet(qnode, null)) {
                return;
            }
            while (qnode.next == null);    // line B
        }
        qnode.next.locked = false;
        qnode.next = null;
    }

    class QNode {
        boolean locked = false;
        QNode next = null;
    }
}

如果我使用少量线程和操作对其进行测试，这似乎可行，但每次我尝试使用 8 个线程和受此锁保护的每个线程 1000 次操作时，它都会陷入死锁。我插入了一些打印件来调试代码和另一个收集工作线程数据的线程。我发现：

有时死锁在 A 线上，有时在 B 线上。
在第一种情况下，所有线程都在 A 行上循环。另一个正在收集数据的线程表明，线程循环的变量都为真，但只有一个，因此线程应该有可能取得进展！
- 在第二种情况下，除一个之外的所有线程都在 A 行循环，另一个在 B 行循环。数据收集线程显示 qnode.next 不为空。
- 没有饥饿线程，因为我检查了它们是否正在“活动等待”插入简单计数器（并且它们正在增加）。

测试是在一个简单的 PriorityQueue 上完成的。

【问题讨论】：

标签： java multithreading locking

【解决方案1】：

这段代码的问题在于它试图使用ThreadLocal 来实现线程限制。然而，由于链接列表中的QNodes 并通过next 引用和tail 引用操作实例，它打破了该线程限制，并且在QNode 字段上没有其他同步机制的情况下，不能保证线程之间的更改可见性。

尽管在unlock() 中调用了qnode.next.locked = false;，但继续在A 行循环是看到陈旧值的结果。

类似地，尽管在 lock() 中调用了 pred.next = qnode;，但继续在 B 行循环是看到陈旧值的结果。

在这两种情况下，另一个线程的QNode 的字段都会发生突变。在前一种情况下qnode.next，在后一种情况下pred 是另一个线程的QNodes。

【讨论】：

如果我在 QNode 类中使用原子变量，我应该解决问题吗？ AtomicBoolean 和 AtomicReference 之类的东西
因为我知道的唯一“技巧”是使用 volatile 变量，但是在 QNode 类的这么多实例中使用它们会导致性能下降吗？
使用原子变量将起作用，并且在这种情况下仅将它们标记为易失性。 Volatile 就足够了，因为改变值永远不会依赖于先前的值。至于性能，原子变量在激烈的争用下表现不佳，在这种情况下，易失性可能会胜出。当典型的使用在低竞争环境中时，原子变量可能会胜出。一如既往：确保并衡量。
谢谢，这只是一个练习，但我会尝试检查在我的测试中 volatile 变量是否会优于 Atomic 变量。
使用 volatile 变量的测试比原子测试花费的时间减少了大约 40%。运行更长的测试，差异减少到 15%，但 volatile var 仍然获胜。（使用 MCS 锁在我的 8 线程的 macbook 上进行所有测试）

【解决方案2】：

如果您在 thread_1 中运行 set pred.next，那么在 thread_2 中检查 qnode.next 没有同步，thread_2 可能永远无法获得您在 thread_1 中设置的值，因为 memory barrier。

【讨论】：