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，咱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我们还没解决。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做在 CPU 执行的过程当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很是重要，咱们称为互斥，若是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

咱们把一段须要互斥执行的代码称为临界区，线程进入临界区以前，首先尝试获取加锁，若加锁成功则能够进入临界区执行代码，不然就等待，直到持有锁的线程执行了解锁unlock()操做。以下图：

可是有两个点要咱们理解清楚：咱们的锁是什么？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。
首先咱们须要把临界区要保护的资源R标记出来，而后须要建立一把该资源的锁LR，最后针对这把锁，咱们须要在进出临界区时添加加锁lock(LR)操做和解锁unlock(LR)操做。以下：

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先后自动加上加锁lock()和解锁unlock()操做。这样作的好处就是加锁和解锁操做会成对出现，毕竟忘了执行解锁unlock()操做但是会让其余线程死等下去。
那咱们怎么去锁住须要保护的资源呢？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
    }
}

上面的代码能够理解为这样：

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，咱们提到过count += 1 存在的并发问题，如今咱们尝试使用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，因此必定能保证原子性，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操做是对后续线程可见的。而查看get()方法也必须加上synchronized修饰，不然也无法保证其可见性。
上面这个例子以下图：

那么可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，代码以下：

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，所以这两个临界区（方法）并无互斥性，addOne()方法的修改对get()方法是不可见的，因此就会致使并发问题。
结论：不可以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常常不过的操做了，修改密码操做和取款操做是没有关联关系的，没有关联关系的资源咱们可使用不一样的互斥锁来解决并发问题。代码以下：

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能够并行了。使用不一样的锁对受保护的资源进行进行更细化管理，可以提高性能，这种锁叫作细粒度锁。
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，若把可变对象做为锁，当可变对象被修改时至关于换锁，并且使用Long或Integer做为锁时，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做比较多以外，还有一个操做比较多的功能就是转帐。帐户 A 转帐给 帐户B 100元，帐户A的余额减小100元，帐户B的余额增长100元，那么这两个帐户就是有关联关系的。在没有理解互斥锁以前，写出的代码可能以下：

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;
    }
}

在转帐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？固然不能。这两个对象是没有关联关系的。正确的操做应该是获取this锁和target锁才能去进行转帐操做，正确的代码以下：

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，咱们须要清晰的明白要保护的资源是什么，只要咱们的锁能覆盖全部受保护的资源就能够了。
可是你觉得这个例子很完美？那就错了，这里面颇有可能会发生死锁。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：咱们的锁是什么？锁要保护的资源是什么？，要理清楚这两点就好下手了。并且锁必须为不可变对象。使用不一样的锁保护不一样的资源，能够细化管理，提高性能，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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