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：

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：

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)

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：

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。

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：

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：

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：

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：

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：

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：

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）

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