Java中锁的实现和内存语义浅析
1.概述
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获取同一个锁的线程发送消息。
锁在实际使用时只是明白锁限制了并发访问,但是锁是如何实现并发访问的,同学们可能不太清楚,下面这篇文章就来揭开锁的神秘面纱.
2.锁的内存语义
- 当线程获取锁时,JMM会把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的变量必须从主内存中读取.
- 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(并不是不释放锁就不刷新到主内存,只是释放锁时把未刷新到主内存中的数据刷新到主内存).
锁的内存语义与volatile的内存语义
- 锁获取与volatile读有相同的内存语义.
- 锁释放与volatile写有相同的内存语义.
内存语义总结
- 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.
3.锁内存语义的实现
下面以ReentrantLock为例,获取到锁就是把state改为1(不考虑重入),释放锁时改为0.
而加锁的关键代码就是
protectedfinalbooleancompareAndSetState(intexpect,intupdate){
returnunsafe.compareAndSwapInt(this,stateOffset,expect,update);
}
该方法以原子操作的方式更新state变量,本文把Java的compareAndSet()方法简称为CAS.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.
这里我们分别从编译器和处理器的角度来分析:CAS如何同时具有volatile读和volatile写的内存语义.
我们知道,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.
下面我们来分析在常见的intelX86处理器中,CAS是如何同时具有volatile读和volatile写的内存语义的.
下面是sun.misc.Unsafe类的compareAndSwapInt()方法的源代码.
publicfinalnativebooleancompareAndSwapInt(Objectvar1,longvar2,intvar4,intvar5);
可以看到,这是一个本地方法调用.这个本地方法在openjdk中依次调用的c++代码为:unsafe.cpp,atomic.cpp和atomic_windows_x86.inline.hpp.这个本地方法的最终实现在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(对应于
Windows操作系统,X86处理器).下面是对应于intelX86处理器的源代码的片段.
inlinejintAtomic::cmpxchg(jintexchange_value,volatilejint*dest,jintcompare_value){
//alternativeforInterlockedCompareExchange
intmp=os::is_MP();
__asm{
movedx,dest
movecx,exchange_value
moveax,compare_value
LOCK_IF_MP(mp)
cmpxchgdwordptr[edx],ecx
}
}
如上面源代码所示,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(LockCmpxchg).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.
- 确保对内存的读-改-写操作原子执行.在Pentium及Pentium之前的处理器中,带有lock前缀的指令在执行期间会锁住总线,使得其他处理器暂时无法通过总线访问内存.很显然,这会带来昂贵的开销.从Pentium4、IntelXeon及P6处理器开始,Intel使用缓存锁定(CacheLocking)
来保证指令执行的原子性.缓存锁定将大大降低lock前缀指令的执行开销. - 禁止该指令,与之前和之后的读和写指令重排序.
- 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.
从本文对ReentrantLock的分析可以看出,锁释放-获取的内存语义的实现至少有下面两种方式.
- 利用volatile变量的写-读所具有的内存语义.
- 利用CAS所附带的volatile读和volatile写的内存语义.
4.总结
对于锁,可以这么理解,N个线程去通过CAS去修改一个volatile变量,但是由于CPU提供的机制,只能有一个线程修改成功,修改成功的线程获得锁,其它线程以及后来的线程要么自旋一会儿,要么直接挂起,等待获取锁的线程释放锁时去唤醒.就是这么个过程.
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