锁的内存语义-CFANZ编程社区

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` 时	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` 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	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`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。

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