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java03 | 互斥锁（上）：解决原子性问题

作者：互联网

 

 

 

 

 


极客时间：Java并发编程实战 03互斥锁（上）
极客时间：Java并发编程实战 04互斥锁（下）

 

 

03 | 互斥锁（上）：解决原子性问题

王宝令 2019-03-05   在第一篇文章中我们提到，一个或者多个操作在 CPU 执行的过程中不被中断的特性，称为“原子性”。理解这个特性有助于你分析并发编程 Bug 出现的原因，例如利用它可以分析出 long 型变量在 32 位机器上读写可能出现的诡异 Bug，明明已经把变量成功写入内存，重新读出来却不是自己写入的。 那原子性问题到底该如何解决呢？ 你已经知道，原子性问题的源头是线程切换，如果能够禁用线程切换那不就能解决这个问题了吗？而操作系统做线程切换是依赖 CPU 中断的，所以禁止 CPU 发生中断就能够禁止线程切换。 在早期单核 CPU 时代，这个方案的确是可行的，而且也有很多应用案例，但是并不适合多核场景。这里我们以 32 位 CPU 上执行 long 型变量的写操作为例来说明这个问题，long 型变量是 64 位，在 32 位 CPU 上执行写操作会被拆分成两次写操作（写高 32 位和写低 32 位，如下图所示）。 在单核 CPU 场景下，同一时刻只有一个线程执行，禁止 CPU 中断，意味着操作系统不会重新调度线程，也就是禁止了线程切换，获得 CPU 使用权的线程就可以不间断地执行，所以两次写操作一定是：要么都被执行，要么都没有被执行，具有原子性。 但是在多核场景下，同一时刻，有可能有两个线程同时在执行，一个线程执行在 CPU-1 上，一个线程执行在 CPU-2 上，此时禁止 CPU 中断，只能保证 CPU 上的线程连续执行，并不能保证同一时刻只有一个线程执行，如果这两个线程同时写 long 型变量高 32 位的话，那就有可能出现我们开头提及的诡异 Bug 了。     © 版权归极客邦科技所有，未经许可不得传播售卖。 页面已增加

 

 

 

Java并发编程实战 03互斥锁 解决原子性问题

 

文章系列#

Java并发编程实战 01并发编程的Bug源头
Java并发编程实战 02Java如何解决可见性和有序性问题

摘要#

在上一篇文章02Java如何解决可见性和有序性问题当中，我们解决了可见性和有序性的问题，那么还有一个原子性问题咱们还没解决。在第一篇文章01并发编程的Bug源头当中，讲到了把一个或者多个操作在 CPU 执行的过程中不被中断的特性称为原子性，那么原子性的问题该如何解决。

同一时刻只有一个线程执行这个条件非常重要，我们称为互斥，如果能保护对共享变量的修改时互斥的，那么就能保住原子性。

简易锁#

我们把一段需要互斥执行的代码称为临界区，线程进入临界区之前，首先尝试获取加锁，若加锁成功则可以进入临界区执行代码，否则就等待，直到持有锁的线程执行了解锁unlock()操作。如下图：
互斥锁1.jpg

但是有两个点要我们理解清楚：我们的锁是什么？要保护的又是什么？

改进后的锁模型#

在并发编程世界中，锁和锁要保护的资源是有对应关系的。
首先我们需要把临界区要保护的资源R标记出来，然后需要创建一把该资源的锁LR，最后针对这把锁，我们需要在进出临界区时添加加锁lock(LR)操作和解锁unlock(LR)操作。如下：
互斥锁2.jpg

Java语言提供的锁技术：synchronized#

synchronized可修饰方法和代码块。加锁lock()和解锁unlock()都会在synchronized修饰的方法或代码块前后自动加上加锁lock()和解锁unlock()操作。这样做的好处就是加锁和解锁操作会成对出现，毕竟忘了执行解锁unlock()操作可是会让其他线程死等下去。
那我们怎么去锁住需要保护的资源呢？在下面的代码中，add1()非静态方法锁定的是this对象（当前实例对象），add2()静态方法锁定的是X.class(当前类的Class对象)

Copy 
public class X {
    public synchronized void add1() {
        // 临界区
    }
    public synchronized static void add2() {
        // 临界区
    }
}

上面的代码可以理解为这样：

Copy 
public class X {
    public synchronized(this) void add() {
        // 临界区
    }
    public synchronized(X.class) static void add2() {
        // 临界区
    }
}

使用synchronized 解决 count += 1 问题#

在01 并发编程的Bug源头文章当中，我们提到过count += 1 存在的并发问题，现在我们尝试使用synchronized解决该问题。

Copy 
public class Calc {
    private int value = 0;
    public synchronized int get() {
        return value;
    }
    public synchronized void addOne() {
        value += 1;
    }
}

addOne()方法被synchronized修饰后，只有一个线程能执行，所以一定能保证原子性，那么可见性问题呢？在上一篇文章02 Java如何解决可见性和有序性问题当中，提到了管程中的锁规则，一个锁的解锁 Happens-Before 于后续对这个锁的加锁。管程，在这里就是synchronized(管程的在后续的文章中介绍)。根据这个规则，前一个线程执行了value += 1操作是对后续线程可见的。而查看get()方法也必须加上synchronized修饰，否则也没法保证其可见性。
上面这个例子如下图：
互斥锁3.jpg

那么可以使用多个锁保护一个资源吗，修改一下上面的例子后，get()方法使用this对象锁来保护资源value，addOne()方法使用Calc.class类对象来保护资源value，代码如下：

Copy 
public class Calc {
    private static int value = 0;
    public synchronized int get() {
        return value;
    }
    public static synchronized void addOne() {
        value += 1;
    }
}

上面的例子用图来表示：
互斥锁4.jpg

在这个例子当中，get()方法使用的是this锁，addOne()方法使用的是Calc.class锁，因此这两个临界区（方法）并没有互斥性，addOne()方法的修改对get()方法是不可见的，所以就会导致并发问题。
结论：不可使用多把锁保护一个资源，但能使用一把锁保护多个资源（这里没写例子，只写了一把锁保护一个资源）

保护没有关联关系的多个资源#

在银行的业务当中，修改密码和取款是两个再经常不过的操作了，修改密码操作和取款操作是没有关联关系的，没有关联关系的资源我们可以使用不同的互斥锁来解决并发问题。代码如下：

Copy 
public class Account {
    // 保护密码的锁
    private final Object pwLock = new Object();
    // 密码
    private String password;

    // 保护余额的锁
    private final Object moneyLock = new Object();
    // 余额
    private Long money;

    public void updatePassword(String password) {
        synchronized (pwLock) {
            // 修改密码
        }
    }

    public void withdrawals(Long money) {
        synchronized (moneyLock) {
            // 取款
        }
    }
}

分别使用pwLock和moneyLock来保护密码和余额，这样修改密码和修改余额就可以并行了。使用不同的锁对受保护的资源进行进行更细化管理，能够提升性能，这种锁叫做细粒度锁。
在这个例子当中，你可能发现我使用了final Object来当成一把锁，这里解释一下：使用锁必须是不可变对象，若把可变对象作为锁，当可变对象被修改时相当于换锁，而且使用Long或Integer作为锁时，在-128到127之间时，会使用缓存，详情可查看他们的valueOf()方法。

保护有关联关系的多个资源#

在银行业务当中，除了修改密码和取款的操作比较多之外，还有一个操作比较多的功能就是转账。账户 A 转账给 账户B 100元，账户A的余额减少100元，账户B的余额增加100元，那么这两个账户就是有关联关系的。在没有理解互斥锁之前，写出的代码可能如下：

Copy 
public class Account {
    // 余额
    private Long money;
    public synchronized void transfer(Account target, Long money) {
        this.money -= money;
        if (this.money < 0) {
            // throw exception
        }
        target.money += money;
    }
}

在转账transfer方法当中，锁定的是this对象（用户A），那么这里的目标用户target（用户B）的能被锁定吗？当然不能。这两个对象是没有关联关系的。正确的操作应该是获取this锁和target锁才能去进行转账操作，正确的代码如下：

Copy 
public class Account {
    // 余额
    private Long money;
    public synchronized void transfer(Account target, Long money) {
        synchronized(this) {
            synchronized (target) {
                this.money -= money;
                if (this.money < 0) {
                    // throw exception
                }
                target.money += money;
            }
        }
    }
}

在这个例子当中，我们需要清晰的明白要保护的资源是什么，只要我们的锁能覆盖所有受保护的资源就可以了。
但是你以为这个例子很完美？那就错了，这里面很有可能会发生死锁。你看出来了吗？下一篇文章我就用这个例子来聊聊死锁。

总结#

使用互斥锁最最重要的是：我们的锁是什么？锁要保护的资源是什么？，要理清楚这两点就好下手了。而且锁必须为不可变对象。使用不同的锁保护不同的资源，可以细化管理，提升性能，称为细粒度锁。

参考文章：
极客时间：Java并发编程实战 03互斥锁（上）
极客时间：Java并发编程实战 04互斥锁（下）

04 | 互斥锁（下）：如何用一把锁保护多个资源？

王宝令 2019-03-07   在上一篇文章中，我们提到受保护资源和锁之间合理的关联关系应该是 N:1 的关系，也就是说可以用一把锁来保护多个资源，但是不能用多把锁来保护一个资源，并且结合文中示例，我们也重点强调了“不能用多把锁来保护一个资源”这个问题。而至于如何保护多个资源，我们今天就来聊聊。 当我们要保护多个资源时，首先要区分这些资源是否存在关联关系。

保护没有关联关系的多个资源

在现实世界里，球场的座位和电影院的座位就是没有关联关系的，这种场景非常容易解决，那就是球赛有球赛的门票，电影院有电影院的门票，各自管理各自的。 同样这对应到编程领域，也很容易解决。例如，银行业务中有针对账户余额（余额是一种资源）的取款操作，也有针对账户密码（密码也是一种资源）的更改操作，我们可以为账户余额和账户密码分配不同的锁来解决并发问题，这个还是很简单的。 相关的示例代码如下，账户类 Account 有两个成员变量，分别是账户余额 balance 和账户密码 password。取款 withdraw() 和查看余额 getBalance() 操作会访问账户余额 balance，我们创建一个 final 对象 balLock 作为锁（类比球赛门票）；而更改密码 updatePassword() 和查看密码 getPassword() 操作会修改账户密码 password，我们创建一个 final 对象 pwLock 作为锁（类比电影票）。不同的资源用不同的锁保护，各自管各自的，很简单。