JAVA锁和volatile的内存语义&volatile的使用场景

JAVA锁的内存语义

当线程释放锁时，JMM（Java Memory Model）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会将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。

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。

参考 https://www.cnblogs.com/yuanfy008/p/9346925.html

1.volatile的内存语义与实现

1.1 volatile读写的内存语义

volatile读写的内存语义与锁获取/锁释放的内存语义对应相同

这两条保证了volatile修饰变量的可见性。
那JMM如何能够保证volatile实现其内存语义的，简单来说就是通过内存屏障。如果看过volatile变量汇编后的指令代码就会在代码中发现一句：

lock add1 $0x0

它的简单含义就是要把工作内存中的共享变量值刷新到主内存中，相当于加入内存屏障。

1.2 volatile有序的内存语义

volatile的另一个特性是禁止指令重排序，这里的内存语义我们可以总结为：

volatile读之后的操作不会被重排序到 volatile读之前
volatile写之前的操作不会被重排序到 volatile写之后
先volatile写–后volatile读，不可重排序

JMM通过插入内存屏障来实现以上语义，实质上有四种内存屏障策略：

volatile写操作前插入StoreStore屏障
volatile写操作后插入StoreLoad屏障
volatile读操作前插入LoadLoad屏障
volatile读操作后插入LoadStore屏障
其中StoreLoad屏障是全能型屏障，可以完成其他3个屏障的功能。所以它被大部分CPU支持。不同CPU有着不同的重排序规则，但是这一套JMM屏障策略可以完成所有类型CPU下的volatile语义。例如对于x86的CPU,它本身只支持写-读操作的重排序，对读-读，读-写，写-写操作的重排序都不支持；那么我们只需要加入StoreLoad屏障来避免写-读操作的重排序即可实现volatile语义。

亲测：volatile修饰的变量，对其相关操作是不具有原子性的

eg：volatile修饰的共享变量a 的自增操作 a++，在多个线程中运行；最后a的值很有可能小于++的执行次数。（因为a++ 实际是 a=a+1，是加法和赋值两个操作，不是原子操作。volatile不保证原子性，所以出现了小于++执行次数的结果）

volatile修饰的共享变量 ArrayList<Object> list，添加元素的操作list.add(new Object())，在多个线程中运行；最后list.size()也很有可能小于add执行的次数。（原因同上，list.add也不是原子操作）

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。

volatile的不能完全取代synchronized的位置，只有在一些特殊的场景下，才能适用volatile。总的来说，必须同时满足下面两个条件volatile修饰的变量才能保证在并发环境的线程安全：

　　（1）对变量的写操作不依赖于当前值。 --待思考

　　（2）该变量没有包含在具有其他变量的不变式中。 --待思考

三种类型的指令重排序

为了提高性能，编译器和处理器可能会对指令做重排序。重排序可以分为三种：

　　（1）编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。

　　（2）指令级并行的重排序。现代处理器采用了指令级并行技术（Instruction-Level Parallelism， ILP）来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。
　　（3）内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读/写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。

参考 http://www.cnblogs.com/paddix/p/5374810.html