并发学习笔记08-锁的内存语义

该并发学习系列以阅读《Java并发编程的艺术》一书的笔记为蓝本，汇集一些阅读过程中找到的解惑资料而成。这是一个边看边写的系列，有兴趣的也可以先自行购买此书学习。

锁可以让临界区互斥执行，还可以让释放锁的线程向获取同一个锁的线程发送消息。

锁的内存语义

• 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。
• 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。

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释放一个锁，随后线程B获取该锁，这个过程实质是线程A通过主内存向线程B发送消息。

由上可见，锁的释放-获取的内存语义同volatile变量写-读的内存语义相同。

内存语义的实现

• 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。

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。

concurrent包的实现

由于Java的CAS同时具有volatile读和volatile写的内存语义，因此Java线程之间的通信现在有了下面4中方式：

• A线程写volatile变量，随后B线程读这个volatile变量。
• A线程写volatile变量，随后B线程用CAS更新这个volatile变量。
• A线程用CAS更新一个volatile变量，随后B线程用CAS更新这个volatile变量。
• A线程用CAS更新一个volatile变量，随后B线程读这个volatile变量。

Java的CAS会使用现代处理器上提供的高效机器级别的院子指令，这些原子指令以原子方式对内存执行读-改-写操作，这是在多处理器中实现同步的关键。
同时，volatile变量的读/写和CAS可以实现线程之间的通信。把这些特性整合在一起，就形成了整个concurrent包得以实现的基石。

观察concurrent包的源码实现，可发现一个通用化的实现模型：

• 首先，声明共享变量为volatile。
• 然后，使用CAS的原子条件更新来实现线程之间的同步。
• 同时，配合以volatile的读/写和CAS所具有的volatile读和写的内存语义来实现线程之间的通信。

AQS，非阻塞数据结构和原子变量类，这些concurrent包中的基础类都是使用这些模式来实现的，其高层类又是基于这些基础类来实现的。