【并发编程】你知道为什么锁可以保证内存可见性吗？

时间：2025-02-19 15:09:52

推荐阅读

  • 学习笔记 《 深入理解 Java 虚拟机》
  • 学习笔记 《 后端架构设计》
  • 学习笔记 《 Java 基础知识进阶》
  • 学习笔记 《 Nginx 学习笔记》
  • 学习笔记 《 前端开发杂记》
  • 学习笔记 《 设计模式学习笔记》
  • 学习笔记 《 DevOps 最佳实践指南》
  • 学习笔记 《 Netty 入门与实战》
  • 学习笔记 《 高性能MYSQL》
  • 学习笔记 《 JavaEE 常用框架》
  • 学习笔记 《 Java 并发编程学习笔记》
  • 学习笔记 《 分布式系统》
  • 学习笔记 《 数据结构与算法》

Lock的内存语义

众所周知，锁可以让临界区互斥执行。这两将介绍锁的另一个同样重要，但是常常被忽视的功能：锁的内存语义，了解锁的内存语义，将是我们对锁的认识更加的深刻。

1、锁所建立的 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消息，下面以一个示例程序进行讲解

class MonitorExample{
    int a=0;

    public synchronized void writer(){   // A
        a++;     // B
    }

    public synchronized void reader(){  // C
        int i=a;	// D
        ...
    }
}


假设线程1执行writer()方法，随后线程2执行reader()方法。根据happens-before规则，这个过程包含的happens-before关系可以分为3类

  • 根据程序次序规则，A happens-before B，C happens-before D；
  • 根据监视器规则，A happens-before C
  • 根据happens-before的传递性，B happens-before D

在线程1释放了锁之后，随后线程2获取同一个锁。因此线程1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B线程可见。

2、锁的释放与建立的内存语义

  1. 锁释放的内存语义：当线程释放锁时，JMM会把该线程对应的(所有)本地内存中的共享变量刷新到主内存中
  2. 锁获取的内存语义：当线程获取锁时，JMM会把该线程对应的(所有)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
  • 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对共享变量所作修改的)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作修改的)消息


线程A释放锁，随后线程B获取锁，这个过程实质上是线程A通过主内存向线程B发送消息，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。

3、锁的内存语义的实现


**正是由于JDK 1.5之后volatile的内存语义得到增强，才可能实现Java concurrent包，**借助ReentrantLock的源代码，来分析锁内存语义的具体实现机制，请看下面代码

class ReentrantLockExample {
    int a = 0;

    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public void writer() {
        lock.lock();//获取锁
        try {
            a++;
        } finally {
            lock.unlock();//释放锁
        }
    }

    public void reader() {
        lock.lock();//获取锁
        try {
            int i = a;
            ...
        } finally {
            lock.unlock();//释放锁
        }
    }
}


ReentrantLock的实现依赖于Java同步器框架AbstractQueuedSynchronizer(简称为AQS)，关于AQS的相关知识点请参考笔者在本系列的其他文章,这里不做过多的赘述。

AQS使用一个整型的 volatile 变量(state)来维护同步状态，这个volatile变量是实现ReentrantLock内存语义实现的关键。

所以锁在释放的时候实际上是修改的 state 这个 volatile 变量，从而达到了锁在释放时候修改volatile变量刷新主内存；在锁获取读 state 这个 volatile 变量从而达到在获取锁的时候更新本地内存的效果。这也是为什么锁的释放的内存语义等效于 volatile 变量的修改，锁的获取的内存语义等效于 volatile 的读取的根本原因。




其次这里对 state 变量的修改使用的是Unsafe 类中的 compareAndSwapInt() 方法，这个方法声明为native 方法，我们可以参看其 C++ 源码。

inline jint Atomic::cmpxchg(jint exchange_value, volatile jint* dest, jint compare_value){
    int mp = os::is_MP(); // 检查系统是否是多个处理器  MultipleProcessor
    __asm{
        mov edx, dest
        mov ecx, exchange_value
        mov eax, compare_value
        LOCK_IF_MP(mp)   //如果是多个处理器，那么在操作之前添加 LOCK 指令
        cmpxchg dword ptr [edx], ecx
    }
}


Lock指令在Intel的CPU中有以下作用： 1. 确保读-改-写操作原子化执行 2. 禁止该指令与之前和之后读写指令重排序。3. 把写缓冲区的数据刷新到主内存中。 所以根据2 & 3 的作用可以得知，CAS具有volatile 写和读的内存语义。




所以我们可以看到锁的内存语义的实现范式有两种： 一种是对 volatile 变量的修改和读取 另外一种是使用和前者具有相同内存语义的的 CAS 操作, 实际上对 Synchronized 实现的锁，其也会在指令前添加LOCK指令，从而实现锁的内存语义

相关文章