锁的内存语义

Posted 2022-09-30 panghu98

锁的内存语义

锁的释放-获取建立的happens-before关系

锁是Java并发编程中最重要的同步机制.锁除了让临界区互斥执行外,还可以让释放锁的线程向获取同一个锁的线程发送信息.

假设线程A执行writer()方法,随后线程B执行reader()方法.根据happens-before规则,这个过程happens-before关系可以分为3类.

• 根据程序次序规则，1 happens-before 2,2 happens-before 3;4 happens-before 5,5 happensbefore 6。
• 根据监视器锁规则,3 happens-before 4
• 根据happens-before的传递性,2 happens-before 5

上述happens-before关系的图形化表示形式如下图所示

每一个箭头链接的两个节点，代表了一个happens-before关系。黑色箭头表示程序顺序规则；橙色箭头表示监视器锁规则；蓝色箭头表示组合这些规则后提供的happens-before保证。

上图中在线程A释放了锁之后，随后线程B获取同一个锁。在上图职工2 happens-before 5，因此，线程A在释放锁之前所有可见的共享变量，在线程B获取同一个锁之后，将立刻变得对线程B可见。

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锁的释放和获取的内存语义

当线程释放锁时,JMM会把该线程对应的本地内存的共享变量刷新到主内存.以上面的MonitorExample程序为例，A线程释放锁后，共享数据的状态示意图如图下图所示。

当线程获取锁时,JMM会把该线程所对应的本地内存置为无效.从而使得被监视器保护的临界代码必须从主内存中读取共享变量.

对比锁释放-获取内存语义与volatile写-读的内存语义可以看出：锁释放与volatile写有相同的内存语义；锁获取与volatile读有相同的内存语义。

对锁释放和锁获取的内存语义小结

• 线程A释放一个锁,实质上是对线程A向接下来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
• 线程B获取一个锁,实质上是线程B接收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(共享变量).

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锁内存语义的实现

示例代码

ReentrantLock的实现依赖于Java同步器框架AbstractQueuedSynchronizer（AQS）。AQS使用一个整型的volatile变量（命名为state）来维护同步状态

ReentrantLock分为公平锁和非公平锁

公平锁

使用公平锁时，加锁方法lock()调用轨迹如下。
1）ReentrantLock:lock()。
2）FairSync:lock()。
3）AbstractQueuedSynchronizer:acquire(int arg)。
4）ReentrantLock:tryAcquire(int acquires)。
在第4步真正开始加锁，下面是该方法的源代码。

从上面源代码中我们可以看出，加锁方法首先读volatile变量state。
在使用公平锁时,解锁方法unlock()调用轨迹如下.
1）ReentrantLock:unlock()。
2）AbstractQueuedSynchronizer:release(int arg)。
3）Sync:tryRelease(int releases)。
在第3步真正开始释放锁，下面是该方法的源代码。

从上面的源代码可以看出，在释放锁的最后写volatile变量state.

公平锁在释放锁的最后写volatile变量state,在获取锁时首先读这个volatile变量.根据volatile变量的happens-before规则,释放锁的线程写在volatile变量之前可见的共享变量,在获取锁的线程读取同一个volatile变量后立即变得对获取锁的线程可见.

非公平锁

非公平锁的释放和公平锁完全一样，所以这里仅仅分析非公平锁的获取。使用非公平锁时，加锁方法lock()调用轨迹如下。
1）ReentrantLock:lock()。
2）NonfairSync:lock()。
3）AbstractQueuedSynchronizer:compareAndSetState(int expect,int update)。
在第3步真正开始加锁，下面是该方法的源代码。

该方法以原子操作的方式更新state变量,把Java的compareAndSet()方法调用简称为CAS。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。

编译器不会对volatile读与volatile读后面的任意内存操作重排序；编译器不会对volatile写与volatile写前面的任意内存操作重排序。组合这两个条件,意味着为了同时实现volatile读和volatile写的内存语义,编译器不能对CAS与CAS前面和后面的任意内存操作重排序.

公平锁和非公平锁的内存语义小结
·公平锁和非公平锁释放时，最后都要写一个volatile变量state。
·公平锁获取时，首先会去读volatile变量。
·非公平锁获取时，首先会用CAS更新volatile变量，这个操作同时具有volatile读和volatile写的内存语义。

锁释放-获取的内存语义的实现至少有下面两种方式

• 利用volatile变量的写-读所具有的内存语义。
• 利用CAS所附带的volatile读和volatile写的内存语义。

concurrent包的实现

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。

• A线程写volatile变量，随后B线程读这个volatile变量
• A线程写volatile变量，随后B线程用CAS更新这个volatile变量
• 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
• A线程用CAS更新一个volatile变量，随后B线程读这个volatile变量

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（从本质上来说，能够支持原子性读-改-写指令的计算机，是顺序计算图灵机的异步等价机器，因此任何现代的多处理器都会去支持某种能对内存执行原子性读-改-写操作的原子指令）。同时，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。

• 声明共享变量为volatile变量
• 使用CAS的院子条件更新来实现线程之间的同步,同时配合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，非阻塞数据结构和原子变量类（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

参考书籍:<>