《Java并发编程的艺术》 —3.5.3　锁内存语义的实现

3.5.3　锁内存语义的实现

本文将借助ReentrantLock的源代码，来分析锁内存语义的具体实现机制。

请看下面的示例代码。

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

        }

    }

}

在ReentrantLock中，调用lock()方法获取锁；调用unlock()方法释放锁。

ReentrantLock的实现依赖于Java同步器框架AbstractQueuedSynchronizer（本文简称之为AQS）。AQS使用一个整型的volatile变量（命名为state）来维护同步状态，马上我们会看到，这个volatile变量是ReentrantLock内存语义实现的关键。

图3-27是ReentrantLock的类图（仅画出与本文相关的部分）。

图3-27　ReentrantLock的类图

ReentrantLock分为公平锁和非公平锁，我们首先分析公平锁。

使用公平锁时，加锁方法lock()调用轨迹如下。

1）ReentrantLock : lock()。

2）FairSync : lock()。

3）AbstractQueuedSynchronizer : acquire(int arg)。

4）ReentrantLock : tryAcquire(int acquires)。

在第4步真正开始加锁，下面是该方法的源代码。

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {

    final Thread current = Thread.currentThread();

    int c = getState();          // 获取锁的开始，首先读volatile变量state

    if (c == 0) {

        if (isFirst(current) &&

            compareAndSetState(0, acquires)) {

                setExclusiveOwnerThread(current);

                return true;

            }

    }

    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {

        int nextc = c + acquires;

        if (nextc < 0)   

            throw new Error("Maximum lock count exceeded");

        setState(nextc);

        return true;

    }

    return false;

}

从上面源代码中我们可以看出，加锁方法首先读volatile变量state。

在使用公平锁时，解锁方法unlock()调用轨迹如下。

1）ReentrantLock : unlock()。

2）AbstractQueuedSynchronizer : release(int arg)。

3）Sync : tryRelease(int releases)。

在第3步真正开始释放锁，下面是该方法的源代码。

protected final boolean tryRelease(int releases) {

    int c = getState() - releases;

    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())

        throw new IllegalMonitorStateException();

    boolean free = false;

    if (c == 0) {

        free = true;

        setExclusiveOwnerThread(null);

    }

    setState(c);              // 释放锁的最后，写volatile变量state

    return free;

}

从上面的源代码可以看出，在释放锁的最后写volatile变量state。

公平锁在释放锁的最后写volatile变量state，在获取锁时首先读这个volatile变量。根据volatile的happens-before规则，释放锁的线程在写volatile变量之前可见的共享变量，在获取锁的线程读取同一个volatile变量后将立即变得对获取锁的线程可见。

现在我们来分析非公平锁的内存语义的实现。非公平锁的释放和公平锁完全一样，所以这里仅仅分析非公平锁的获取。使用非公平锁时，加锁方法lock()调用轨迹如下。

1）ReentrantLock : lock()。

2）NonfairSync : lock()。

3）AbstractQueuedSynchronizer : compareAndSetState(int expect, int update)。

在第3步真正开始加锁，下面是该方法的源代码。

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()方法调用简称为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。

前文我们提到过，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 o, long offset,

                                                  int expected,

                                                  int x);

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。

1）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。

2）禁止该指令，与之前和之后的读和写指令重排序。

3）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。

现在对公平锁和非公平锁的内存语义做个总结。

公平锁和非公平锁释放时，最后都要写一个volatile变量state。

公平锁获取时，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volatile写的内存语义。

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。

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。