Java内存模型-锁的内存语义

一 引言

　　在说volatile的内存语义时，讲过这样一句话：想要理解透volatile特性有一个很好的方法，就是把对volatile变量的单个读/写，看成是使用同一个锁对这些单个读/写操作做了同步。所以其实锁的释放和获取与volatile的写和读具有相同的内存语义。

二 锁的释放-获取建立的happens-before关系

　　不清楚happens-before规则的请前去看-看，这里就不在细说了。由于在之前没有举例说明监视器锁规则，那么在这里就详细说明下，下面是锁释放-获取的示例代码：

public class MonitorExample {
    int a = 0;

    public synchronized void writer() { // 1
        a += 1;                         // 2
    }                                   // 3

    public synchronized void reader() { // 4
        System.out.println(a);          // 5
    }                                   // 6

    public static void main(String[] args) {
        final MonitorExample me = new MonitorExample();
        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                me.writer();
            }
        });
        t1.start();

        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                me.reader();
            }
        });
        t2.start();
    }
}

　　这里我们假设线程1先执行writer()方法，随后线程B执行reader()方法（知道为什么要假设？因为不是一定按这种顺序发生，可以测试下结果）。根据happens-before规则，这个过程包含的happens-before关系可以分为3类：

　　1） 根据程序次序规则：1 happens-before 2， 2 happens-before 3， 4 happens-before 5， 5 happens-before 6；

　　2）根据监视器锁规则：3 happens-before 4；

　　3）根据传递性规则，2 happens-before 5。

　　上述happens-before关系的图形化表现形式如下：

 

三 锁的释放和获取的内存语义

　　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。以上面的MonitorExample程序为例，线程1释放锁后，共享数据的状态示意图如下：

　　当线程获取锁时，JMM会把该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代码必须从主内存中读取共享变量。

 　　对比锁释放-读取的内存语义与volatile写-读的内存语义可以看出，锁释放与volatile写具有相同的内存语义；锁获取与volatile读具有相同的内存语义。下面对锁释放和锁获取的内存语义做个总结。

• 线程1释放一个锁，实质上是线程1向接下来将要获取这个锁的某个线程发出了（线程1对共享变量所做修改的）消息。
• 线程2获取一个锁，实质上是线程2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1锁释放，随后线程2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。

四 锁内存语义的实现

　　锁有很多种，但其基本原理都是差不多的。书上是以ReentrantLock中的公平锁与非公平锁作为案例分析，有兴趣的同学可以去阅读原籍和源码。现总结如下：

• 公平锁和非公平锁释放时，最后都要写一个volatile变量state。
• 公平锁获取是，首先会去读volatile变量。
• 非公平锁获取时，首先会用CAS更新volatile变量，这个操作同时具有volatile读和写的内存语义。

　　所以锁释放-获取的内存语义的实现至少有下面两种方式：

　　1）利用volatile变量的写-读所具有的内存语义。

　　2）利用CAS所附带的volatile读和volatile写的内存语义。

　　由此可知：并发包下的类的实现方式大部分都是基于这两种方式实现的。