并发编程-锁相关的内存语义

Posted 2022-07-03 shuimuzhushui

锁的内存语义本质上可以说是对共享变量的更新，能及时让其他线程观察到；并且通过内存屏障，组织编译器或处理器指令重排序，导致多线程下不一致的现象。

1. volatile内存语义

　　见上一篇文章。

2. 锁的内存语义

（1）锁的释放和获取的内存语义

　　当线程释放锁时，JMM会将本地内存中的共享变量同步到主内存中；

　　当线程获取锁时，JMM会将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。

（2）锁内存语义的实现

　　ReentrantLock的实现依赖于AbstractQueuedSynchronizer（AQS），AQS使用一个整形的volatile变量（state）来维护同步状态。这个volatile变量是ReentrantLock实现的关键。

　　编译器不会对volatile读与其后的任意内存操作重排序，不会对volatile写与其前的任意操作重排序。CAS同时具有volatile读和写的内存语义，编译器不会对CAS前和后的任意内存操作重排序，其是通过底层处理器缓存锁定实现原子性的。

CAS同时具有volatile读和写的内存语义，故Java线程之间的通信存在4种方式：

　　① A线程写volatile变量，随后B线程读该变量；

　　② A线程写volatile变量，随后B线程使用CAS更新该变量；

　　③ A线程使用CAS更新volatile变量，随后B线程使用CAS更新该变量；

　　④ A线程使用CAS更新volatile变量，随后B线程读该变量。

concurrent包的实现，通用的实现模式：

　　① 声明共享变量为volatile

　　② 使用CAS的原子条件更新来实现线程之间的同步

　　③ 配合以volatile的读/写，及CAS所具有的volatile读和写的内存语义来实现线程间的通信。 

AQS、非阻塞数据结构和原子变量类，都是使用该模式来实现的。（该图摘自java concurrent包的实现原理）

3. final内存语义

（1）final重排序规则

　　① 在类实例化时，构造函数中对一个final域的写入，与后边对该类对象的引用之间不能重排序。防止引用到未初始化完全的对象

　　首先对象是共享对象如通过static修饰的类实例。JMM禁止编译器将final域的写重排序到构造函数之外；编译器会在final域写入之后，构造函数返回之前插入StoreStore屏障。

　　对于普通变量的赋值可能重排序到构造函数之外，此时另一个线程通过该对象访问普通变量时，可能还没有赋值。（具体实例参看《Java并发编程的艺术》）

　　②  初次读一个包含final域的对象，与初次读这个final域之间不能重排序。防止对象引用提前读，而对象还未初始化完全

　　在读对象引用和对象final域时，JMM在两者之间插入LoadLoad屏障，禁止读final域重排序到对象引用前边，普通变量可能存在这种情况。

　　③ 对final域是数组或对象等引用类型的情况，有如下约束：在构造函数内对一个final引用的对象的成员域的写入，与随后对该类对象的引用之间不能重排序。

　　即final引用的对象中所有成员都写完成后，才可以被其他线程引用。

（2）禁止在构造函数中将this复制给外边的对象引用，否则可能导致其他线程看到初始化不完全的实例。