java锁是如何实现可见性的

Java锁通过内存屏障、缓存一致性协议、JVM内存模型等机制实现了可见性。内存屏障是一种同步机制，确保在锁定和解锁之间的内存操作有序进行；缓存一致性协议通过硬件保证多个处理器之间的缓存数据保持一致；JVM内存模型则通过规范线程间的通信来保证可见性。下面将详细描述其中的内存屏障。

内存屏障的作用是强制执行内存操作的顺序，从而保证线程在读写共享变量时不会出现内存乱序问题。在Java中，synchronized关键字和ReentrantLock都内置了内存屏障机制。内存屏障分为两种：读屏障和写屏障。读屏障确保读取操作在屏障之后执行，而写屏障则确保写入操作在屏障之前完成。这就保证了当一个线程释放锁后，所有对共享变量的修改对其他线程是可见的。

一、内存屏障

内存屏障是实现可见性的核心机制之一。它保证了指令的执行顺序，防止内存操作重排序。

1、写屏障

写屏障的作用是在写操作之前插入一个屏障，确保写操作在屏障之前完成。这样可以保证所有写操作在释放锁之前都已经对其他线程可见。例如，在Java中，synchronized块的结束部分会插入写屏障。

2、读屏障

读屏障的作用是在读操作之后插入一个屏障，确保读操作在屏障之后进行。这可以防止读取到旧的缓存数据，确保读取的是最新的值。例如，在Java中，synchronized块的开始部分会插入读屏障。

二、缓存一致性协议

缓存一致性协议确保了多处理器系统中，各个处理器的缓存数据保持一致。常见的协议包括MESI（Modified, Exclusive, Shared, Invalid）协议。

1、MESI协议

MESI协议是一种常用的缓存一致性协议，用于确保多个处理器的缓存数据一致。每个缓存行有四种状态：修改（Modified）、独占（Exclusive）、共享（Shared）和无效（Invalid）。通过状态转换，保证了数据的一致性。

2、缓存一致性机制

缓存一致性机制通过硬件协议，自动同步处理器缓存中的数据。例如，当一个处理器修改了缓存中的数据，会通知其他处理器将相应的缓存行标记为无效。这就确保了其他处理器在访问该数据时，会重新从主内存中读取最新的值。

三、JVM内存模型

JVM内存模型规范了Java程序中线程间通信的行为。它通过定义内存操作的顺序和可见性规则，保证了线程间的正确性。

1、happens-before原则

happens-before原则是JVM内存模型的核心规则之一。它定义了操作之间的可见性关系。例如，一个线程对变量的写操作happens-before另一个线程对同一变量的读操作。这就保证了写操作对读操作是可见的。

2、锁的happens-before关系

在Java中，锁的获取和释放之间存在happens-before关系。即一个线程释放锁的操作happens-before另一个线程获取同一锁的操作。这就保证了释放锁之前的所有写操作对获取锁的线程是可见的。

四、锁的实现方式

Java中的锁主要有两种实现方式：内置锁（synchronized）和显式锁（ReentrantLock）。

1、内置锁（synchronized）

内置锁是Java语言级别的锁，通过synchronized关键字实现。它在编译阶段通过字节码插入内存屏障，保证可见性和原子性。例如，进入synchronized块时，会插入读屏障，退出时会插入写屏障。

2、显式锁（ReentrantLock）

显式锁是Java提供的更灵活的锁，通过java.util.concurrent.locks包提供的ReentrantLock类实现。ReentrantLock内部也通过内存屏障和CAS（Compare-And-Swap）操作保证可见性和原子性。相比于内置锁，ReentrantLock提供了更丰富的功能，例如可中断的锁获取、定时的锁获取等。

五、CAS操作

CAS（Compare-And-Swap）操作是实现锁的基础机制之一。它通过硬件支持的原子操作，保证了多线程环境下的正确性。

1、CAS操作的原理

CAS操作包含三个参数：内存地址、预期值和新值。它的操作过程是：如果内存地址中的值等于预期值，则将其更新为新值；否则，不做任何操作。CAS操作是原子的，不会被中断，保证了线程安全性。

2、CAS操作在锁中的应用

在Java中，CAS操作被广泛应用于锁的实现。例如，ReentrantLock中的同步队列通过CAS操作实现了无锁的线程安全队列。CAS操作的高效性和原子性，使其成为多线程编程中的重要工具。

六、总结

Java锁通过内存屏障、缓存一致性协议和JVM内存模型等机制，保证了线程间的可见性。内存屏障确保了内存操作的顺序，缓存一致性协议保证了多处理器系统中的数据一致性，而JVM内存模型则通过规范线程间的通信，保证了线程的正确性。通过内置锁和显式锁，Java提供了灵活的同步机制，确保了多线程环境下的可见性和原子性。CAS操作作为实现锁的基础机制，提供了高效的线程安全性保障。这些机制共同构成了Java锁的实现原理，为开发者提供了强大的并发编程支持。