锁的内存语义

1.锁的释放和获取的内存语义:

锁获取的状态示意图

    当线程获取锁时,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。

    对比锁释放-获取的内存语义与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。

总述

    -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。

    -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。


2.锁内存语义的实现

     在ReentrantLock中,调用lock()方法获取锁;调用unlock()方法释放锁。

     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,马上我们会看到,这个volatile变量是ReentrantLock内存语义实现的关键。


ReentrantLock

ReentrantLock分为公平锁和非公平锁,我们首先分析公平锁。

   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。

protected final boolean tryAcquire(int acquires){

    final Thread current = Thread.currentThread();

    int c = getState();

    if (c == 0){

        if(isFirst(current)&&

            compareAndSetState(0,acquires)){

                setExclusiveOwnerThread(current);

                return true;

            }

    }

    else if(current == getExclusiveOwnerThread()){

        int nextc = c + acquires;

        if(next<0)throw new Error("Maximum lock count exceeded");

        setState(nextc);

        return true;

    }

    return false;


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。

protected final boolean tryRelease(int releases){

    int c=getState()-releases;

    if(Thread.currentThread()!=getExclusiveOwnerThread())

        throw new IllegalMonitorStateException();

    boolean free = false;

    if(c==0){

        free=true;

        setExclusiveOwnerThread(null);

    }

    setState(c);    //释放锁的最后,写volatile变量state

    return free;

   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的happens-before规则,释放锁的线程在写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变量后将立即变得对获取锁的线程可见。


非公平锁:使用非公平锁时,释放锁和非公平锁的释放完全一样,但是在获取时:

  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。

protected final boolean compareAndSetState(int except,int update){

    return unsafe.compareAndSwapInt(this,stateOffset,except,update);

该方法以原子操作的方式(CAS)更新state变量,此操作具有volatile读和写的内存语义。


CAS如何具有volatile内存语义?

编译器角度: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。

compareAndSwapInt源码会调用本地方法,该方法程序会根据当前处理器类型来决定是否为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)。反之如果程序在单个处理器上运行,就不添加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)


3.总结

  1)公平锁和非公平锁释放时,最后都要写一个volatile变量state。

  2)公平锁获取时,首先会去读voaltile变量。

  3)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读和写的内存语义。

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