JUC（java.util.concurrent）并發(fā)包，作為Java語言并發(fā)編程的利器，由并發(fā)編程領(lǐng)域的泰斗道格·利（Doug Lea）精心打造。它提供了一系列高效、線程安全的工具類、接口及原子類，極大地簡化了并發(fā)編程的開發(fā)流程與管理復(fù)雜度。

JUC并發(fā)包與happens-before、內(nèi)存語義的關(guān)系

探索JUC并發(fā)包，會(huì)發(fā)現(xiàn)它與Java內(nèi)存模型中的happens-before原則及內(nèi)存語義緊密相連。從高層視角俯瞰，volatile關(guān)鍵字與CAS（Compare-And-Swap）操作構(gòu)成了JUC并發(fā)包底層實(shí)現(xiàn)的核心基石。接下來，以并發(fā)工具Lock為例，剖析其背后的實(shí)現(xiàn)機(jī)制。

class LockExample {
    int x = 0;
    Lock lock = new ReentrantLock();

    public void set() {
        // 獲取鎖
        lock.lock();       
        try {
           x = 1;
        } finally {
            // 釋放鎖
            lock.unlock();  
        }
    }

    public void get() {
        // 獲取鎖
       lock.lock();        
        try {
           int i = x;
           // ......
        } finally {
            // 釋放鎖
           lock.unlock();   
        }
    }
}

Lock的實(shí)現(xiàn)依賴于Java同步器框架（AbstractQueuedSynchronizer，AQS）。AQS內(nèi)部維護(hù)了一個(gè)由volatile修飾的整型變量state，用于表示同步狀態(tài)。
? 1）獲取鎖?：當(dāng)調(diào)用Lock的lock()方法時(shí)，會(huì)觸發(fā)AQS的tryAcquire()方法嘗試獲取鎖。該方法首先檢查當(dāng)前state是否為0（表示鎖未被占用），若是，則通過CAS操作將state設(shè)置為1，并標(biāo)記當(dāng)前線程為鎖的持有者。若鎖已被當(dāng)前線程持有（即重入鎖情況），則直接增加state的值。
? 2）釋放鎖?：當(dāng)調(diào)用Lock的unlock()方法時(shí)，會(huì)觸發(fā)AQS的tryRelease()方法釋放鎖。該方法首先減少state的值，若減少后state為0，則表示鎖已完全釋放，同時(shí)清除鎖的持有者信息。

// 關(guān)鍵volatile變量
private volatile int state;

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    // 1 獲取到當(dāng)前線程
    final Thread current = Thread.currentThread();
    // 2 獲取到當(dāng)前鎖的state值
    int c = getState();
    // 3 如果state值為0，則是無線程占用鎖
    if (c == 0) {
        // 4 compareAndSetState則通過CAS對(duì)state進(jìn)行設(shè)置為1
        if (compareAndSetState(0, acquires)) {
            // 5 設(shè)置占用線程為當(dāng)前線程并返回true
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    // 6 如果state不為0，并且當(dāng)前線程等于鎖占用的線程，則說明鎖重入了。
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        // 7 直接將state設(shè)置為+1
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0)
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    // 8 如果是false，則說明是其他線程，直接返回false。
    return false;
}

protected final boolean tryRelease(int releases) {
   // 1 對(duì)state進(jìn)行減值
   int c = getState() - releases;
   // 2 判斷當(dāng)前線程等于鎖占用的線程
   if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
   boolean free = false;
    // 3 當(dāng)c值為0，代表釋放鎖成功
    if (c == 0) {
        free = true;
        // 4 設(shè)置為當(dāng)前鎖沒有線程獨(dú)占
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
    // 5 將state重新置為0，意味其他線程可以重新?lián)屾i
    setState(c);
    // 6 釋放鎖成功
    return free;
}

從上述代碼中，可以觀察到volatile變量state在鎖獲取與釋放過程中的關(guān)鍵作用。根據(jù)volatile的happens-before規(guī)則，釋放鎖的線程在修改volatile變量之前對(duì)共享變量的修改，對(duì)于后續(xù)獲取該鎖的線程來說是可見的。這確保了鎖機(jī)制的正確性與線程間的數(shù)據(jù)一致性。
為了更直觀地理解Lock的獲取與釋放過程，我們可以將其簡化為如下偽代碼。

class SimplifiedLockExample {
    int x = 0;
    volatile int state;
       
    public void set() {
        // 當(dāng)前線程從主內(nèi)存讀取state值
        while(state != 0) {
           // 偽代碼 阻塞當(dāng)前線程
           park(Thread.currentThread())
        } 
        // CAS操作，確保只有一個(gè)線程能成功設(shè)置state為1
       compareAndSwap(state, 1)
       // 賦值操作，受volatile內(nèi)存語義保護(hù)，防止重排序
       x = 1;
       // 釋放鎖，將state重置為0
       state = 0;  
       // 喚醒其他等待線程
       unpark(nonCurrentThread());
    }
        
    public void get() {
       // 當(dāng)前線程從主內(nèi)存讀取state值
        while(state != 0) {
           // 阻塞當(dāng)前線程，等待鎖釋放
           park(Thread.currentThread())
        }          
        // CAS操作，嘗試獲取鎖 
        compareAndSwap(state, 1)
        // 讀取共享變量x的最新值
        int i = x;
        // 其他操作...
        // 釋放鎖，將state重置為0
        state = 0;
        // 喚醒其他等待線程
        unpark(nonCurrentThread());   
     }
     
    // 偽代碼方法，實(shí)際實(shí)現(xiàn)需依賴底層系統(tǒng)調(diào)用
    private void park(Thread thread) 
    private void unpark(Thread thread) 
    private boolean compareAndSwap(int expect, int newValue, int updateValue) 
    private Thread nonCurrentThread()
}

Java的CAS會(huì)使用現(xiàn)代處理器上提供的原子指令，實(shí)現(xiàn)無鎖的線程安全更新機(jī)制。同時(shí)，volatile變量的讀/寫可以實(shí)現(xiàn)線程線程之間的通信。如果仔細(xì)分析JUC并發(fā)包的源代碼實(shí)現(xiàn)，會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)通用化的實(shí)現(xiàn)模式。
? 1）聲明共享變量為volatile?：確保變量的可見性與有序性。
? 2）使用CAS的原子條件更新?：實(shí)現(xiàn)線程間的同步與數(shù)據(jù)的一致性更新。
? 3）配合volatile的讀/寫內(nèi)存語義?：實(shí)現(xiàn)線程間的通信與數(shù)據(jù)傳遞。
這一模式在AQS、非阻塞數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如ConcurrentHashMap）及原子變量類（如AtomicInteger）等JUC并發(fā)包的基礎(chǔ)類中得到了廣泛應(yīng)用。而這些基礎(chǔ)類又進(jìn)一步支撐了JUC并發(fā)包中高層類的實(shí)現(xiàn)，構(gòu)建了一個(gè)層次分明、功能強(qiáng)大的并發(fā)編程框架。

未完待續(xù)

很高興與你相遇！如果你喜歡本文內(nèi)容，記得關(guān)注哦