1.锁的释放和获取的内存语义:
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)