Day824.用一把锁保护多个资源 -Java 并发编程实战

Posted 2023-01-11 阿昌喜欢吃黄桃

用一把锁保护多个资源

Hi，我是阿昌，今天学习记录的是关于用一把锁保护多个资源。

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一、保护没有关联关系的多个资源

当要保护多个资源时，首先要区分这些资源是否存在关联关系。

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，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，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，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。

class Account 
  // 锁：保护账户余额
  private final Object balLock
    = new Object();
  // 账户余额  
  private Integer balance;
  // 锁：保护账户密码
  private final Object pwLock
    = new Object();
  // 账户密码
  private String password;

  // 取款
  void withdraw(Integer amt) 
    synchronized(balLock) 
      if (this.balance > amt)
        this.balance -= amt;
      
    
   
  // 查看余额
  Integer getBalance() 
    synchronized(balLock) 
      return balance;
    
  

  // 更改密码
  void updatePassword(String pw)
    synchronized(pwLock) 
      this.password = pw;
    
   
  // 查看密码
  String getPassword() 
    synchronized(pwLock) 
      return password;
    
  

当然，也可以用一把互斥锁来保护多个资源，例如可以用 this 这一把锁来管理账户类里所有的资源：账户余额和用户密码。

具体实现很简单，示例程序中所有的方法都增加同步关键字 synchronized 就可以了，这里我就不一一展示了。

但是用一把锁有个问题，就是性能太差，会导致取款、查看余额、修改密码、查看密码这四个操作都是串行的。

而用两把锁，取款和修改密码是可以并行的。用不同的锁对受保护资源进行精细化管理，能够提升性能。

这种锁还有个名字，叫 细粒度锁。

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二、保护有关联关系的多个资源

如果多个资源是有关联关系 的，那这个问题就有点复杂了。

例如银行业务里面的转账操作，账户 A 减少 100 元，账户 B 增加 100 元。这两个账户就是有关联关系的。那对于像转账这种有关联关系的操作，应该怎么去解决呢？先把这个问题代码化。

声明了个账户类：Account，该类有一个成员变量余额：balance，还有一个用于转账的方法：transfer()，然后怎么保证转账操作 transfer() 没有并发问题呢？

class Account 
  private int balance;
  // 转账
  void transfer(
      Account target, int amt)
    if (this.balance > amt) 
      this.balance -= amt;
      target.balance += amt;
    
   

相信你的直觉会告诉你这样的解决方案：用户 synchronized 关键字修饰一下 transfer() 方法就可以了，于是你很快就完成了相关的代码，如下所示。

class Account 
  private int balance;
  // 转账
  synchronized void transfer(
      Account target, int amt)
    if (this.balance > amt) 
      this.balance -= amt;
      target.balance += amt;
    
   

在这段代码中，临界区内有两个资源，分别是转出账户的余额 this.balance 和转入账户的余额 target.balance，并且用的是一把锁 this，符合前面提到的，多个资源可以用一把锁来保护，这看上去完全正确呀。

真的是这样吗？可惜，这个方案仅仅是看似正确，为什么呢？

问题就出在 this 这把锁上，this 这把锁可以保护自己的余额 this.balance，却保护不了别人的余额 target.balance，就像你不能用自家的锁来保护别人家的资产，也不能用自己的票来保护别人的座位一样。

下面具体分析一下，假设有 A、B、C 三个账户，余额都是 200 元，用两个线程分别执行两个转账操作：

账户 A 转给账户 B 100 元，账户 B 转给账户 C 100 元，最后期望的结果应该是账户 A 的余额是 100 元，账户 B 的余额是 200 元， 账户 C 的余额是 300 元。

假设线程 1 执行账户 A 转账户 B 的操作，线程 2 执行账户 B 转账户 C 的操作。这两个线程分别在两颗 CPU 上同时执行，那它们是互斥的吗？

期望是，但实际上并不是。因为线程 1 锁定的是账户 A 的实例（A.this），而线程 2 锁定的是账户 B 的实例（B.this），所以这两个线程可以同时进入临界区 transfer()。

同时进入临界区的结果是什么呢？线程 1 和线程 2 都会读到账户 B 的余额为 200，导致最终账户 B 的余额可能是 300（线程 1 后于线程 2 写 B.balance，线程 2 写的 B.balance 值被线程 1 覆盖），可能是 100（线程 1 先于线程 2 写 B.balance，线程 1 写的 B.balance 值被线程 2 覆盖），就是不可能是 200。

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三、使用锁的正确姿势

用同一把锁来保护多个资源，也就是现实世界的“包场”，那在编程领域应该怎么“包场”呢？很简单，只要我们的锁能覆盖所有受保护资源就可以了。

在上面的例子中，this 是对象级别的锁，所以 A 对象和 B 对象都有自己的锁，如何让 A 对象和 B 对象共享一把锁呢？

稍微开动脑筋，会发现其实方案还挺多的，比如可以让所有对象都持有一个唯一性的对象，这个对象在创建 Account 时传入。

方案有了，完成代码就简单了。示例代码如下，把 Account 默认构造函数变为 private，同时增加一个带 Object lock 参数的构造函数，创建 Account 对象时，传入相同的 lock，这样所有的 Account 对象都会共享这个 lock 了。

class Account 
  private Object lock；
  private int balance;
  private Account();
  // 创建Account时传入同一个lock对象
  public Account(Object lock) 
    this.lock = lock;
   
  // 转账
  void transfer(Account target, int amt)
    // 此处检查所有对象共享的锁
    synchronized(lock) 
      if (this.balance > amt) 
        this.balance -= amt;
        target.balance += amt;
      
    
  

这个办法确实能解决问题，但是有点小瑕疵，它要求在创建 Account 对象的时候必须传入同一个对象，如果创建 Account 对象时，传入的 lock 不是同一个对象，那可就惨了，会出现锁自家门来保护他家资产的荒唐事。

在真实的项目场景中，创建 Account 对象的代码很可能分散在多个工程中，传入共享的 lock 真的很难。所以，上面的方案缺乏实践的可行性，需要更好的方案。

还真有，就是用 Account.class 作为共享的锁。Account.class 是所有 Account 对象共享的，而且这个对象是 Java 虚拟机在加载 Account 类的时候创建的，所以我们不用担心它的唯一性。

使用 Account.class 作为共享的锁，就无需在创建 Account 对象时传入了，代码更简单。

class Account 
  private int balance;
  // 转账
  void transfer(Account target, int amt)
    synchronized(Account.class) 
      if (this.balance > amt) 
        this.balance -= amt;
        target.balance += amt;
      
    
   

下面这幅图很直观地展示了是如何使用共享的锁 Account.class 来保护不同对象的临界区的。

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四、总结

如果资源之间没有关系，很好处理，每个资源一把锁就可以了。如果资源之间有关联关系，就要选择一个粒度更大的锁，这个锁应该能够覆盖所有相关的资源。

除此之外，还要梳理出有哪些访问路径，所有的访问路径都要设置合适的锁，这个过程可以类比一下门票管理。

再引申一下上面提到的关联关系，关联关系如果用更具体、更专业的语言来描述的话，其实是一种“原子性”特征，在前面的文章中，提到的原子性，主要是面向 CPU 指令的，转账操作的原子性则是属于是面向高级语言的，不过它们本质上是一样的。

“原子性”的本质是什么？其实不是不可分割，不可分割只是外在表现，其本质是多个资源间有一致性的要求，操作的中间状态对外不可见。

例如，在 32 位的机器上写 long 型变量有中间状态（只写了 64 位中的 32 位），在银行转账的操作中也有中间状态（账户 A 减少了 100，账户 B 还没来得及发生变化）。

所以解决原子性问题，是要保证中间状态对外不可见。

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在第一个示例程序里，我们用了两把不同的锁来分别保护账户余额、账户密码，创建锁的时候，我们用的是：private final Object xxxLock = new Object();，如果账户余额用 this.balance 作为互斥锁，账户密码用 this.password 作为互斥锁，你觉得是否可以呢？

不能用balance和password做为锁对象。这两个对象balance是Integer，password是String都是不可变变对象，一但对他们进行赋值就会变成新的对象，加的锁就失效了

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