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1. 概述

鎖是java并發編程中最重要的同步機制。鎖除了讓臨界區互斥執行外，還可以讓釋放鎖的線程獲取同一個鎖的線程發送消息。

鎖在實際使用時只是明白鎖限制了并發訪問, 但是鎖是如何實現并發訪問的, 同學們可能不太清楚, 下面這篇文章就來揭開鎖的神秘面紗.

2. 鎖的內存語義

當線程獲取鎖時, jmm會把線程對應的本地內存置為無效. 從而使得被監視器保護的臨界區的變量必須從主內存中讀取.
當線程釋放鎖時, jmm會把該線程對應的本地內存中的共享變量刷新到主內存中(并不是不釋放鎖就不刷新到主內存, 只是釋放鎖時把未刷新到主內存中的數據刷新到主內存).

鎖的內存語義與volatile的內存語義

鎖獲取與volatile讀有相同的內存語義.
鎖釋放與volatile寫有相同的內存語義.

內存語義總結

線程a釋放一個鎖, 實質上是線程a向接下來將要獲取這個鎖的某個線程發出了(線程a對共享變量所做修改的)消息.
線程b獲取一個鎖, 實質上是線程b接收了之前某個線程發出的(在釋放這個鎖之前對共享變量所做修改的)消息.
線程a釋放鎖, 隨后線程b獲取這個鎖, 這個過程實質上是線程a通過主內存向線程b發送消息.

3. 鎖內存語義的實現

下面以reentrantlock為例, 獲取到鎖就是把state改為1(不考慮重入), 釋放鎖時改為0.

而加鎖的關鍵代碼就是

				?

									protected final boolean compareandsetstate(int expect, int update) {

									 return unsafe.compareandswapint(this, stateoffset, expect, update);

									}

該方法以原子操作的方式更新state變量, 本文把java的compareandset()方法簡稱為cas. jdk文檔對該方法的說明如下: 如果當前狀態值等于預期值, 則以原子方式將同步狀態設置為給定的更新值. 此操作具有volatile讀和寫的內存語義.

這里我們分別從編譯器和處理器的角度來分析: cas如何同時具有volatile讀和volatile寫的內存語義.

我們知道, 編譯器不會對volatile讀與volatile讀后面的任意內存操作重排序; 編譯器不會對volatile寫與volatile寫前面的任意內存操作重排序. 組合這兩個條件, 意味著為了同時實現volatile讀和volatile寫的內存語義, 編譯器不能對cas與cas前面和后面的任意內存操作重排序.

下面我們來分析在常見的intel x86處理器中, cas是如何同時具有volatile讀和volatile寫的內存語義的.

下面是sun.misc.unsafe類的compareandswapint()方法的源代碼.

				?

									public final native boolean compareandswapint(object var1, long var2, int var4, int var5);

可以看到, 這是一個本地方法調用. 這個本地方法在openjdk中依次調用的c++代碼為: unsafe.cpp, atomic.cpp 和 atomic_windows_x86.inline.hpp. 這個本地方法的最終實現在openjdk的如下位置: openjdk-7-fcs-src-b147-
27_jun_2011\openjdk\hotspot\src\os_cpu\windows_x86\vm\atomic_windows_x86.inline.hpp(對應于
windows操作系統, x86處理器). 下面是對應于intel x86處理器的源代碼的片段.

				?

									inline jint atomic::cmpxchg (jint exchange_value, volatile jint* dest, jint compare_value) {

									 // alternative for interlockedcompareexchange

									 int mp = os::is_mp();

									 __asm {

									  mov edx, dest

									  mov ecx, exchange_value

									  mov eax, compare_value

									  lock_if_mp(mp)

									  cmpxchg dword ptr [edx], ecx

									 }

									}

如上面源代碼所示, 程序會根據當前處理器的類型來決定是否為cmpxchg指令添加lock前綴. 如果程序是在多處理器上運行, 就為cmpxchg指令加上lock前綴(lock cmpxchg). 反之, 如果程序是在單處理器上運行, 就省略lock前綴(單處理器自身會維護單處理器內的順序一致性, 不需要lock前綴提供的內存屏障效果).

intel的手冊對lock前綴的說明如下.

確保對內存的讀-改-寫操作原子執行. 在pentium及pentium之前的處理器中, 帶有lock前綴的指令在執行期間會鎖住總線, 使得其他處理器暫時無法通過總線訪問內存. 很顯然, 這會帶來昂貴的開銷. 從pentium 4、intel xeon及p6處理器開始, intel使用緩存鎖定(cache locking)
來保證指令執行的原子性. 緩存鎖定將大大降低lock前綴指令的執行開銷.
禁止該指令, 與之前和之后的讀和寫指令重排序.
把寫緩沖區中的所有數據刷新到內存中.

上面的第2點和第3點所具有的內存屏障效果, 足以同時實現volatile讀和volatile寫的內存語義.

經過上面的分析, 現在我們終于能明白為什么jdk文檔說cas同時具有volatile讀和volatile寫的內存語義了.

從本文對reentrantlock的分析可以看出, 鎖釋放-獲取的內存語義的實現至少有下面兩種方式.