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标题: 深入理解Java内存模型——锁(四) [打印本页]

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作者: 李江    时间: 2013-10-8 08:23
标题: 深入理解Java内存模型——锁(四)

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：

1. public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,
   
2.                                               int expected,
   
3.                                               int x);

复制代码

可以看到这是个本地方法调用。这个本地方法在openjdk中依次调用的c++代码为：unsafe.cpp，atomic.cpp和atomicwindowsx86.inline.hpp。这个本地方法的最终实现在openjdk的如下位置：openjdk-7-fcs-src-b147-27jun2011\openjdk\hotspot\src\oscpu\windowsx86\vm\ atomicwindowsx86.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：

1. // Adding a lock prefix to an instruction on MP machine
   
2. // VC++ doesn't like the lock prefix to be on a single line
   
3. // so we can't insert a label after the lock prefix.
   
4. // By emitting a lock prefix, we can define a label after it.
   
5. #define LOCK_IF_MP(mp) __asm cmp mp, 0  \
   
6.                        __asm je L0      \
   
7.                        __asm _emit 0xF0 \
   
8.                        __asm L0:
   
9. 
   
10. inline jint     Atomic::cmpxchg    (jint     exchange_value, volatile jint*     dest, jint     compare_value) {
    
11.   // alternative for InterlockedCompareExchange
    
12.   int mp = os::is_MP();
    
13.   __asm {
    
14.     mov edx, dest
    
15.     mov ecx, exchange_value
    
16.     mov eax, compare_value
    
17.     LOCK_IF_MP(mp)
    
18.     cmpxchg dword ptr [edx], ecx
    
19.   }
    
20. }

复制代码

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在原有总线锁的基础上做了一个很有意义的优化：如果要访问的内存区域（area of memory）在lock前缀指令执行期间已经在处理器内部的缓存中被锁定（即包含该内存区域的缓存行当前处于独占或以修改状态），并且该内存区域被完全包含在单个缓存行（cache line）中，那么处理器将直接执行该指令。由于在指令执行期间该缓存行会一直被锁定，其它处理器无法读/写该指令要访问的内存区域，因此能保证指令执行的原子性。这个操作过程叫做缓存锁定（cache locking），缓存锁定将大大降低lock前缀指令的执行开销，但是当多处理器之间的竞争程度很高或者指令访问的内存地址未对齐时，仍然会锁住总线。
• 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。

经过上面的这些分析，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，首先会去读这个volatile变量。
• 非公平锁获取时，首先会用CAS更新这个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：

• 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四种方式：

• 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（从本质上来说，能够支持原子性读-改-写指令的计算机器，是顺序计算图灵机的异步等价机器，因此任何现代的多处理器都会去支持某种能对内存执行原子性读-改-写操作的原子指令）。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。如果我们仔细分析concurrent包的源代码实现，会发现一个通用化的实现模式：

• 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包的实现示意图如下(图五)：

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2013-10-8 08:23 上传

图五

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