面试题：什么是自旋锁？自旋的好处和后果是什么呢？

news2024/11/17 1:46:59

文章目录

什么是自旋
- 自旋和非自旋的获取锁的流程
自旋锁的好处
AtomicLong 的实现
实现一个可重入的自旋锁示例
自旋的缺点
适用场景

什么是自旋

“自旋”可以理解为“自我旋转”，这里的“旋转”指“循环”，比如 while 循环或者 for 循环。“自旋”就是自己在这里不停地循环，直到目标达成。而不像普通的锁那样，如果获取不到锁就进入阻塞

自旋和非自旋的获取锁的流程

自旋锁，它并不会放弃 CPU 时间片，而是通过自旋等待锁的释放，也就是说，它会不停地再次地尝试获取锁，如果失败就再次尝试，直到成功为止

非自旋锁，非自旋锁和自旋锁是完全不一样的，如果它发现此时获取不到锁，它就把自己的线程切换状态，让线程休眠，然后 CPU 就可以在这段时间去做很多其他的事情，直到之前持有这把锁的线程释放了锁，于是 CPU 再把之前的线程恢复回来，让这个线程再去尝试获取这把锁。如果再次失败，就再次让线程休眠，如果成功，一样可以成功获取到同步资源的锁

非自旋锁和自旋锁最大的区别，就是如果它遇到拿不到锁的情况，它会把线程阻塞，直到被唤醒。而自旋锁会不停地尝试

自旋锁的好处

阻塞和唤醒线程都是需要高昂的开销的，如果同步代码块中的内容不复杂，那么可能转换线程带来的开销比实际业务代码执行的开销还要大
在很多场景下，可能我们的同步代码块的内容并不多，所以需要的执行时间也很短，如果我们仅仅为了这点时间就去切换线程状态，那么其实不如让线程不切换状态，而是让它自旋地尝试获取锁，等待其他线程释放锁，有时我只需要稍等一下，就可以避免上下文切换等开销，提高了效率

自旋锁的好处，那就是自旋锁用循环去不停地尝试获取锁，让线程始终处于 Runnable 状态，节省了线程状态切换带来的开销

AtomicLong 的实现

在 Java 1.5 版本及以上的并发包中，也就是 java.util.concurrent 的包中，里面的原子类基本都是自旋锁的实现

看一个 AtomicLong 的实现，里面有一个 getAndIncrement 方法，源码如下

public final long getAndIncrement() {
    return unsafe.getAndAddLong(this, valueOffset, 1L);
}

可以看到它调用了一个 unsafe.getAndAddLong，所以我们再来看这个方法

public final long getAndAddLong (Object var1,long var2, long var4){
    long var6;
    do {
        var6 = this.getLongVolatile(var1, var2);
    } while (!this.compareAndSwapLong(var1, var2, var6, var6 + var4));
 
 
    return var6;
}

在这个方法中，它用了一个 do while 循环。这里就很明显了

do {
    var6 = this.getLongVolatile(var1, var2);
} 
while (!this.compareAndSwapLong(var1, var2, var6, var6 + var4));

这里的 do-while 循环就是一个自旋操作，如果在修改过程中遇到了其他线程竞争导致没修改成功的情况，就会 while 循环里进行死循环，直到修改成功为止

实现一个可重入的自旋锁示例

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
 
/**
 * 描述：实现一个可重入的自旋锁
 */
public class ReentrantSpinLock  {
 
    private AtomicReference<Thread> owner = new AtomicReference<>();
 
    //重入次数
    private int count = 0;
 
    public void lock() {
        Thread t = Thread.currentThread();
        if (t == owner.get()) {
            ++count;
            return;
        }
        //自旋获取锁
        while (!owner.compareAndSet(null, t)) {
            System.out.println("自旋了");
        }
    }
 
    public void unlock() {
        Thread t = Thread.currentThread();
        //只有持有锁的线程才能解锁
        if (t == owner.get()) {
            if (count > 0) {
                --count;
            } else {
                //此处无需CAS操作，因为没有竞争，因为只有线程持有者才能解锁
                owner.set(null);
            }
        }
    }
 
    public static void main(String[] args) {
        ReentrantSpinLock spinLock = new ReentrantSpinLock();
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始尝试获取自旋锁");
                spinLock.lock();
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取到了自旋锁");
                    Thread.sleep(4000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    spinLock.unlock();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放了了自旋锁");
                }
            }
        };
        Thread thread1 = new Thread(runnable);
        Thread thread2 = new Thread(runnable);
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

这段代码的运行结果是

...
自旋了
自旋了
自旋了
自旋了
自旋了
自旋了
自旋了
自旋了
Thread-0释放了了自旋锁
Thread-1获取到了自旋锁

前面会打印出很多“自旋了”，说明自旋期间，CPU依然在不停运转

自旋的缺点

它最大的缺点就在于虽然避免了线程切换的开销，但是它在避免线程切换开销的同时也带来了新的开销，因为它需要不停得去尝试获取锁。如果这把锁一直不能被释放，那么这种尝试只是无用的尝试，会白白浪费处理器资源。也就是说，虽然一开始自旋锁的开销低于线程切换，但是随着时间的增加，这种开销也是水涨船高，后期甚至会超过线程切换的开销，得不偿失