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
protected final boolean compareandsetstate(int expect, int update) {
return unsafe.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intel x86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.
public final native boolean compareandswapint(object var1, long var2, int var4, int var5);
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intel x86处理器的源代码的片段.
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(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.
- 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pentium 4、intel xeon及p6处理器开始, intel使用缓存锁定(cache locking)
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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