05、互斥锁(下):如何用一把锁保护多个资源?

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。

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。

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,我们也可以用一把互斥锁来保护多个资源,例如我们可以用 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。而我们用两把锁,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

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,我们应该怎么去解决呢?先把这个问题代码化。我们声明了个账户类: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,符合我们前面提到的,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。

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下面我们具体分析一下,假设有 A、B、C 三个账户,余额都是 200 元,我们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,最后我们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。

我们假设线程 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?我们期望是,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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使用锁的正确姿势

在上一篇文章中,我们提到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,你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,我们把 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,我们需要更好的方案。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,我们就无需在创建 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我们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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总结

相信你看完这篇文章后,对如何保护多个资源已经很有心得了,关键是要分析多个资源之间的关系。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。

我们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,我们提到的原子性,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