java内存模型之volatile和锁的内存语义

1.volatile的内存语义

1.1 volatile的特性

可以把对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。如下面的例子：

class VolatileFeaturesExample {
	volatile long vl = 0L; // 使用volatile声明64位的long型变量
	public void set(long l) {
		vl = l; // 单个volatile变量的写
	}
	public void getAndIncrement () {
		vl++; // 复合（多个）volatile变量的读/写
	}
	public long get() {
		return vl; // 单个volatile变量的读
		}
	}

假设有多个线程分别调用上面程序的3个方法，这个程序在语义上和下面程序等价。

class VolatileFeaturesExample {
	long vl = 0L; // 64位的long型普通变量
	public synchronized void set(long l) { // 对单个的普通变量的写用同一个锁同步
		vl = l;
	}
	public void getAndIncrement () { // 普通方法调用
		long temp = get(); // 调用已同步的读方法
		temp += 1L; // 普通写操作
		set(temp); // 调用已同步的写方法
	}
	public synchronized long get() { // 对单个的普通变量的读用同一个锁同步
		return vl;
	}
}

其实就是对volatile变量的读写方法进行加锁同步。

锁的happens-before规则保证释放锁和获取锁的两个线程之间的内存可见性，这意味着对一个volatile变量的读，总是能看到（任意线程）对这个volatile变量最后的写入。

锁的语义决定了临界区代码的执行具有原子性。这意味着，即使是64位的long型和double型变量，只要它是volatile变量，对该变量的读/写就具有原子性。如果是多个volatile操作或类似于volatile++这种复合操作，这些操作整体上不具有原子性。

简而言之，volatile变量自身具有下列特性：

• 可见性：对一个volatile变量的读，总是能看到（任意线程）对这个volatile变量最后的写入。

• 原子性：对任意单个volatile变量的读/写具有原子性，但类似于volatile++这种复合操作不具有原子性。

1.2 volatile写-读建立的happens-before关系

从JSR-133开始（即从JDK5开始），volatile变量的写-读可以实现线程之间的通信。从内存语义的角度来说，volatile的写-读与锁的释放-获取有相同的内存效果：volatile写和锁的释放有相同的内存语义；volatile读与锁的获取有相同的内存语义。

1.3 volatile写-读的内存语义

volatile写的内存语义：当写一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量值刷新到主内存。

volatile读的内存语义：当读一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存置为无效。线程接下来将从主内存中读取共享变量。

对volatile写和volatile读的内存语义总结：

• 线程A写一个volatile变量，实质上是线程A向接下来将要读这个volatile变量的某个线程发出了（其对共享变量所做修改的）消息。

• 线程B读一个volatile变量，实质上是线程B接收了之前某个线程发出的（在写这个volatile变量之前对共享变量所做修改的）消息。

• 线程A写一个volatile变量，随后线程B读这个volatile变量，这个过程实质上是线程A通过主内存向线程B发送消息。

1.4 volatile内存语义的实现

下面来看看JMM如何实现volatile写/读的内存语义。重排序分为编译器重排序和处理器重排序。为了实现volatile内存语义，JMM会分别限制这两种类型的重排序类型。下表是JMM针对编译器制定的volatile重排序规则表。

第三行最后一个单元格的意思是：在程序中，当第一个操作为普通变量的读或写时，如果第二个操作为volatile写，则编译器不能重排序这两个操作。

从上表可以看出：

• 当第二个操作是volatile写时，不管第一个操作是什么，都不能重排序。这个规则确保volatile写之前的操作不会被编译器重排序到volatile写之后。

• 当第一个操作是volatile读时，不管第二个操作是什么，都不能重排序。这个规则确保volatile读之后的操作不会被编译器重排序到volatile读之前。

• 当第一个操作是volatile写，第二个操作是volatile读时，不能重排序。

为了实现volatile的内存语义，编译器在生成字节码时，会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。对于编译器来说，发现一个最优布置来最小化插入屏障的总数几乎不可能。为此，JMM采取保守策略。下面是基于保守策略的JMM内存屏障插入策略。

• 在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障。

• 在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障。

• 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障。

• 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障。

这个要对应上面的屏障指令去看，比如第一个的话，就相当于：StoreStore这个屏障在volatile写操作前面，所以在volatile写之前的数据都会对其他处理器可见(即刷新到主内存)。

上述内存屏障插入策略非常保守，但它可以保证在任意处理器平台，任意的程序中都能得到正确的volatile内存语义。下面是保守策略下，volatile写插入内存屏障后生成的指令序列示意图，如图：

上图StoreStore屏障可以保证在volatile写之前，其前面的所有普通写操作已经对任意处理器可见了。这是因为StoreStore屏障将保障上面所有的普通写在volatile写之前刷新到主内存。

volatile写后面的StoreLoad屏障的作用是避免volatile写与后面可能有的volatile读/写操作重排序。因为编译器常常无法准确判断在一个volatile写的后面是否需要插入一个StoreLoad屏障（比如，一个volatile写之后方法立即return）。为了保证能正确实现volatile的内存语义，JMM在采取了保守策略：在每个volatile写的后面，或者在每个volatile读的前面插入一个StoreLoad屏障。从整体执行效率的角度考虑，JMM最终选择了在每个volatile写的后面插入一个StoreLoad屏障。因为volatile写-读内存语义的常见使用模式是：一个写线程写volatile变量，多个读线程读同一个volatile变量。当读线程的数量大大超过写线程时，选择在volatile写之后插入StoreLoad屏障将带来可观的执行效率的提升。从这里可以看到JMM在实现上的一个特点：首先确保正确性，然后再去追求执行效率。

下面是在保守策略下，volatile读插入内存屏障后生成的指令序列示意图，如图：

上图中LoadLoad屏障用来禁止处理器把上面的volatile读与下面的普通读重排序。LoadStore屏障用来禁止处理器把上面的volatile读与下面的普通写重排序。

上述volatile写和volatile读的内存屏障插入策略非常保守。在实际执行时，只要不改变volatile写-读的内存语义，编译器可以根据具体情况省略不必要的屏障。

class VolatileBarrierExample {
	int a;
	volatile int v1 = 1;
	volatile int v2 = 2;
	void readAndWrite() {
		int i = v1; // 第一个volatile读
		int j = v2; // 第二个volatile读
		a = i + j; // 普通写
		v1 = i + 1; // 第一个volatile写
		v2 = j * 2; // 第二个 volatile写
	}
	…
    // 其他方法
    }

针对readAndWrite()方法，编译器在生成字节码时可以做如下的优化。

注意，最后的StoreLoad屏障不能省略。因为第二个volatile写之后，方法立即return。此时编译器可能无法准确断定后面是否会有volatile读或写，为了安全起见，编译器通常会在这里插入一个StoreLoad屏障。

上面的优化针对任意处理器平台，由于不同的处理器有不同“松紧度”的处理器内存模型，内存屏障的插入还可以根据具体的处理器内存模型继续优化。

2 锁的内存语义

2.1 锁的释放-获取建立的happens-before关系

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向获取同一个锁的线程发送消息。

2.2 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。

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-获取的内存语义与volatile写-读的内存语义可以看出：锁释放与volatile写有相同的内存语义；锁获取与volatile读有相同的内存语义。总结如下：

• 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。

2.3 锁内存语义的实现

通过ReentranLock来辅助说明。

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，这个volatile变量是ReentrantLock内存语义实现的关键。

部分类图如下：

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：

/**
 * Fair version of tryAcquire.  Don't grant access unless
 * recursive call or no waiters or is first.
 */
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 (!hasQueuedPredecessors() &&
            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。

非公平锁的释放和公平锁完全一样，所以这里只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) {
    // See below for intrinsics setup to support this
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

该方法以原子操作的方式更新state变量，其实就是CAS，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。

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。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);

可以看出这是一个本地方法，即由非Java语言实现的，对应的intel X86处理器的源代码片段如下：

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。

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。

由此看出，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。

5.4 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种方式：

1）A线程写volatile变量，随后B线程读这个volatile变量。

2）A线程写volatile变量，随后B线程用CAS更新这个volatile变量。

3）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。

4）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原子指令，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。concurrent包的源代码有通用化的实现模式：

• 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（java.util.concurrent.atomic包中的类），这些concurrent包中的基础类都是使用这种模式来实现的，而concurrent包中的高层类又是依赖于这些基础类来实现的。从整体来看，concurrent包的实现示意图：

参照：《Java并发编程的艺术》