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锁的内存语义

小禹说财 2023-06-01 阅读 53

锁的释放和获取的内存语义

操作锁的释放和获取的内存语义类比volatile对锁释放和锁获取的内存语义做个总结
当线程 释放锁JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量刷新到主内存中锁释放与 volatile写 有相同的内存语义线程A释放一个锁,实质上是线程A向接下来将要获取这个锁的某个线程发出了(线程A对共享变量所做修改的)消息。
当线程 获取锁JMM会把该线程对应的本地内存置为无效。从而使得被监视器保护的临界区代码必须从主内存中读取共享变量锁获取与 volatile读 有相同的内存语义线程B获取一个锁,实质上是线程B接收了之前某个线程发出的(在释放这个锁之前对共享变量所做修改的)消息
线程A释放锁,随后线程B获取这个锁,这个过程实质上是线程A通过主内存向线程B发送消息

锁内存语义的实现

将借助ReentrantLock的源代码,来分析锁内存语义的具体实现机制。
ReentrantLock的实现依赖于Java同步器框架AbstractQueuedSynchronizer(本文简称之为AQS)。AQS使用一个整型的volatile变量(命名为state)来维护同步状态。
在ReentrantLock中,调用lock()方法获取锁;调用unlock()方法释放锁。
使用公平锁时,加锁方法lock()调用轨迹如下使用非公平锁时,加锁方法lock()调用轨迹如下
1)ReentrantLock:lock()。1)ReentrantLock:lock()。
2)FairSync:lock()。2)NonfairSync:lock()。
3)AbstractQueuedSynchronizer:acquire(int arg)。3)AbstractQueuedSynchronizer:compareAndSetState(int expect,int update)。(真正开始加锁)
4)ReentrantLock:tryAcquire(int acquires)。(真正开始加锁)
在使用公平锁时,解锁方法unlock()调用轨迹如下非公平锁的释放和公平锁完全一样
1)ReentrantLock:unlock()。1)ReentrantLock:unlock()。
2)AbstractQueuedSynchronizer:release(int arg)。2)AbstractQueuedSynchronizer:release(int arg)。
3)Sync:tryRelease(int releases)。3)Sync:tryRelease(int releases)。
加锁方法首先读volatile变量state通过CAS以原子操作的方式更新state变量
在释放锁的最后写volatile变量state在释放锁的最后写volatile变量state
把Java的AbstractQueuedSynchronizer.compareAndSet()方法调用简称为 CAS。该方法以原子操作的方式更新state变量。JDK文档对该方法的说明如下:如果当前状态值等于预期值,则以原子方式将同步状态设置为给定的更新值。此操作具有volatile读和写的内存语义。
在常见的intel X86处理器中,在sun.misc.Unsafe类的compareAndSwapInt()方法的源代码里的逻辑→程序会根据当前处理器的类型来决定是否为cmpxchg指令添加lock前缀。如果程序是在多处理器上运行,就为cmpxchg指令加上 lock 前缀(Lock Cmpxchg)。反之,如果程序是在单处理器上运行,就省略lock前缀(单处理器自身会维护单处理器内的顺序一致性,不需要lock前缀提供的内存屏障效果)。
intel的手册对lock前缀的说明如下
1)确保对内存的读-改-写操作原子执行。
2)禁止该指令,与之前和之后的读和写指令重排序。
3)把写缓冲区中的所有数据刷新到内存中。
上面的第2点和第3点所具有的内存屏障效果,足以同时实现volatile读和volatile写的内存语义。
经过上面的分析,现在我们终于能明白为什么JDK文档说CAS同时具有volatile读和volatile写的内存语义了。

concurrent包的实现

Java线程间通信的4种方式

由于Java的CAS同时具有volatile读和volatile写的内存语义,因此Java线程之间的通信现在有了下面4种方式。
1)A线程写volatile变量,随后B线程读这个volatile变量。
2)A线程写volatile变量,随后B线程用CAS更新这个volatile变量。
3)A线程用CAS更新一个volatile变量,随后B线程用CAS更新这个volatile变量。
4)A线程用CAS更新一个volatile变量,随后B线程读这个volatile变量。
整合
Java的CAS会使用现代处理器上提供的高效机器级别的原子指令,这些原子指令以原子方式对内存执行读-改-写操作,这是在多处理器中实现同步的关键
volatile变量的读/写和CAS可以实现线程之间的通信。
把这些特性整合在一起,就形成了整个concurrent包得以实现的基石
如果我们仔细分析concurrent包的源代码实现,会发现一个通用化的实现模式。
首先,声明共享变量为volatile。
然后,使用CAS的原子条件更新来实现线程之间的同步。
同时,配合以volatile的读/写和CAS所具有的volatile读和写的内存语义来实现线程之间的通信。
AQS非阻塞数据结构原子变量类(java.util.concurrent.atomic包中的类),这些concurrent包中的基础类都是使用这种模式来实现的,而concurrent包中的高层类又是依赖于这些基础类来实现的。

concurrent包的实现示意图

在这里插入图片描述

-----------------------------------------------------------------------------摘自 书名:Java并发编程的艺术 作者:方腾飞;魏鹏;程晓明

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