一、整体关系框架
Java 内存模型（JMM）是并发编程的底层规则，定义了多线程环境下共享变量的访问方式。 volatile、synchronized 是 JMM 规则的具体实现手段，而 AQS 和 LockSupport 是基于 JMM 和这些关键字构建的高并发工具。 以下是它们的协作关系：
JMM（规则层）
├── volatile（可见性、有序性）
├── synchronized（原子性、可见性、有序性）
├── AQS（基于 volatile 和 CAS 的同步框架）
└── LockSupport（基于 JMM 的线程阻塞与唤醒）
二、JMM 的核心规则
JMM 通过以下规则约束多线程行为：
- 可见性：线程对共享变量的修改对其他线程可见。
- 有序性：禁止指令重排序（通过内存屏障）。
- 原子性：特定操作（如锁、CAS）的不可分割性。
三、volatile 与 JMM
1. 作用
- 可见性：强制读写直接操作主内存。
- 有序性：插入内存屏障禁止指令重排序。
2. 实现原理
- 写操作：在写后插入
StoreStore和StoreLoad屏障。 - 读操作：在读前插入
LoadLoad和LoadStore屏障。
3. 典型应用
- 状态标志位（如
volatile boolean flag）。 - 双重检查锁定（DCL 单例模式）。
四、synchronized 与 JMM
1. 作用
- 原子性：同步代码块的互斥执行。
- 可见性：锁释放时强制刷新工作内存到主内存。
- 有序性：同步块内禁止指令重排序。
2. 内存语义
- 加锁：清空工作内存，从主内存加载共享变量。
- 解锁：将工作内存的修改刷新到主内存。
3. 典型应用
- 保护临界区（如计数器递增）。
- 实现互斥锁（如
ReentrantLock的底层依赖）。
五、AQS 与 JMM
1. 核心依赖
- volatile state：AQS 通过
volatile int state管理同步状态，依赖 JMM 的可见性规则。 - CAS 操作：通过
Unsafe.compareAndSwapXXX实现原子性状态更新。
2. 同步机制
-
等待队列：使用 CLH 队列管理阻塞线程，依赖 LockSupport 的
park()和unpark()。 -
锁获取与释放：
// AQS 中的模板方法 protected boolean tryAcquire(int arg) { /* 依赖 CAS 和 volatile state */ } protected boolean tryRelease(int arg) { /* 修改 state 并唤醒后继线程 */ }
3. 典型应用
ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch的底层实现。
六、LockSupport 与 JMM
1. 作用
- 线程阻塞与唤醒：提供
park()和unpark()的底层支持。 - 精准控制：可唤醒指定线程，避免
notify()的随机性。
2. 实现依赖
- 许可证机制：通过原子变量管理线程的阻塞状态。
- happens-before 规则：
unpark()操作对park()的可见性保证。
3. 典型应用
- AQS 的等待队列管理。
- 自定义线程协作（如替代
wait()/notify()）。
七、协作关系示例
1. ReentrantLock 的工作流程
-
加锁：
- 通过 CAS 修改
volatile state（原子性、可见性）。 - 若失败，线程加入 AQS 队列并调用
LockSupport.park()阻塞（依赖 JMM 的可见性保证）。
- 通过 CAS 修改
-
解锁：
- 修改
volatile state，唤醒队列中的下一个线程（LockSupport.unpark()）。
- 修改
2. 双重检查锁定（DCL）
public class Singleton {
private static volatile Singleton instance; // 依赖 volatile 的可见性与有序性
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (Singleton.class) { // 依赖 synchronized 的原子性
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}
- volatile：禁止指令重排序（防止返回未初始化对象）。
- synchronized：保证实例化代码的原子性。
八、对比与选择
| 组件 | 解决的问题 | 适用场景 | 性能特点 |
|---|---|---|---|
| volatile | 可见性、有序性 | 状态标志、DCL 单例 | 轻量级，无锁 |
| synchronized | 原子性、可见性、有序性 | 临界区保护、简单同步 | 重量级，JVM 优化后性能提升 |
| AQS | 复杂同步需求 | 自定义锁、信号量、栅栏 | 灵活，支持公平/非公平锁 |
| LockSupport | 精准线程阻塞/唤醒 | AQS 队列管理、替代 wait/notify | 底层控制，无锁 |
九、总结
1. 层级关系
- JMM：定义内存访问规则（可见性、有序性、原子性）。
- volatile/synchronized：基于 JMM 的关键字实现。
- AQS/LockSupport：基于 JMM 和关键字的高并发工具。
2. 协作逻辑
- JMM 是基石：所有并发工具的行为均遵循其规则。
- volatile 和 synchronized 是基础工具：直接解决可见性、有序性、原子性问题。
- AQS 和 LockSupport 是高级工具：利用前者构建复杂同步机制。
3. 开发建议
- 简单同步：优先使用
synchronized或volatile。 - 复杂需求：使用 AQS 构建自定义同步器（如限流器、分布式锁）。
- 精准控制：用
LockSupport替代wait()/notify()。
通过理解这些组件的协作关系，开发者可以更高效地设计线程安全程序，避免内存可见性、指令重排序等并发陷阱。
