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.

• 利用volatile變量的寫-讀所具有的內存語義.
• 利用CAS所附帶的volatile讀和volatile寫的內存語義.

4. 總結

對于鎖, 可以這么理解, N個線程去通過CAS去修改一個volatile變量, 但是由于CPU提供的機制, 只能有一個線程修改成功, 修改成功的線程獲得鎖, 其它線程以及后來的線程要么自旋一會兒, 要么直接掛起, 等待獲取鎖的線程釋放鎖時去喚醒. 就是這么個過程.

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