写在前面

上一篇文章原子性问题的宏观理解 带领大家了解了锁和资源的模型,有了这篇文章的铺垫,相信理解这一篇文章就非常轻松了

当我们要保护单个资源并对其进行修改其实很简单,只需按照下图分三步走

  1. 创建受保护资源 R 的锁
  2. 加锁进入临界区
  3. 解锁走出临界区

上图的关键是「R1 的锁保护 R1」的指向关系是否正确

如果都是保护单个资源这样简单,程序猿的世界该有多美好,可惜并不是,通常我们需要保护多个资源

保护多个资源

保护多个没有关系的资源

如果多个资源没有关系,那就是保护一个资源模型的复制,同样非常简单,且看下图:

比如现实中银行取款和修改密码操作。
银行取款操作对应的资源是「余额」, 修改密码操作对应的资源是「密码」,余额和密码两个资源完全没有关系,所以各自用自家的锁保护自家的资源就好了

如果多个资源没有关系,程序猿的世界该有多美好,可惜并不是,我们保护的资源多数情况都有关联关系

保护多个关系的资源

拿经典的银行转账案例来说明,账户 A 给账户 B 转账,账户 A 余额减少 100 元,账户 B 余额增加 100 元,这个操作要是原子性的,那么资源「A 余额」和资源「B 余额」就这样”有了关系”,先来看程序:

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

用 synchronized 直接保护 transfer 方法,然后操作资源「A 余额」和资源「B 余额」就可以了

⚠️: 真的是这样吗?

先停止向下看,在你的笔记本上按照文章开头的三步走来画个图看一看,是否和下图一样呢?

我们通常容易忽略锁和资源的指向关系,我们想当然的用锁 this 来保护 target 资源了,也就没有起到保护作用

假设 A,B,C 账户初始余额都是 200 原,A 向 B 转账 100,B 向 C 转账 100

我们期盼最终的结果是:
账户 A 余额: 100 元
账户 B 余额: 200 元
账户 C 余额: 300 元

假线程 1「A 向 B 转账」与线程 2「B 向 C 转账」两个操作同时执行,根据 JMM 模型可知,线程 1 和线程 2 读取线程 B 当前的余额都是 200 元:

  • 线程 1 执行 transfer 方法锁定的是 A 的实例(A.this),并没有锁定 B 的实例
  • 线程 2 执行 transfer 方法锁定的是 B 的实例(B.this),并没有锁定 C 的实例

所以线程 1 和线程 2 可以同时进入 transfer 临界区,上面你认为对的模型其实就会变成这个样子:

还记得 happens-before 规则 这篇文章提到的监视器锁规则传递性规则吗?

####监视器锁规则
对一个锁的解锁 happens-before 于随后对这个锁的加锁
####传递性规则
如果 A happens-before B, 且 B happens-before C, 那么 A happens-before C

资源 B.balance 存在于两个”临界区”中,所以这个”临界区”对 B.balance 来说形同虚设,也就不满足监视器锁规则,进而导致传递性规则也不生效,说白了,前序线程的更改结果对后一个线程不可见

这样最终导致:

  • 账户 B 的余额可能是 100: ** 线程 1 写 B.balance 100(balance = 300) **先于 线程 2 写 B.balance(balance = 100),也就是说线程 1 的结果会被线程 2 覆盖,导致最终账户 B 的余额为 100

  • 账户 B 的余额可能是 300: 与上述情况相反,线程 1 写 B.balance 100(balance = 300) 后于 线程 2 写 B.balance(balance = 100),也就是说线程 2 的结果线程 1 覆盖,导致最终账户 B 的余额为 300

就是不能得到我们理想结果 200,感觉生活无比的艰难,那怎么办呢?

正确姿势

上面的问题就是为资源创建的锁不能保护所有关联的资源,那我们就想办法解决这个问题,来看下面代码:

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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;
}
}
}
}

我们将 this 锁变为 Account.class 锁,Account.class 是虚拟机加载 Account 类时创建的,肯定是唯一的(双亲委派模型解释了为何该对象是唯一的), 所有 Account 对象都共享 Account.class, 也就是说,Account.class 锁能保护所有 Account 对象,我们将上面程序再用模型解释一下

总结

到这里关于锁和资源的关系你应该了解的更加透彻了,单个资源和多个无关联资源的情形都很好处理,为各自资源创建相应的锁就好,如果多个资源有关联,为了让锁起到保护作用,我们需要将锁的粒度变大,比如将 this 锁变成了 Account.class 锁。

转账业务非常常见,并发量非常大,如果我们将锁的粒度都提升到 Account.class 这个级别(分久必合),假设每次转账业务都很耗时,那么显然这个锁的性能是比较低的,所以接下来的文章,我们还会继续优化这个模型,选择合适的锁粒度,同时能保护多个有关联的资源

我们的锁粒度虽然大,但是我们保障了账户的安全,所以并发编程可以先保证事情做对,遇到瓶颈了,慢慢优化改变相应的模型就好了,当然熟练理解这个模型以后,一步到位的并发编程模型当然是极好的……

灵魂追问

  1. 还记得 happens-before 的几个原则吗?
  2. 偏向锁,轻量锁,重量锁是不是和我们这节内容有异曲同工之处呢?
  3. 提前想一下,我们如何来优化这个模型呢?

附加说明

如果你对这篇文章理解有些困难,可以按照下面的顺序回忆前序文章相关内容

  1. 这次走进并发的世界,请不要错过
  2. 学并发编程,透彻理解这三个核心是关键
  3. 并发Bug之源有三,请睁大眼睛看清它们
  4. 可见性有序性,Happens-before来搞定
  5. 解决原子性问题?你首先需要的是宏观理解
  6. 面试并发volatile关键字时,我们应该具备哪些谈资?

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