03 | 互斥锁(上):解决原子性问题

2019/12/05 posted in  极客-Java并发实战
  • 简易锁模型
  • 改进后的锁模型
  • Java 语言提供的锁技术:synchronized
  • 用 synchronized 解决 count+=1 问题
  • 锁和受保护资源的关系

那原子性问题到底该如何解决呢?

“同一时刻只有一个线程执行”这个条件非常重要,我们称之为互斥。如果我们能够保证对共享变量的修改是互斥的,那么,无论是单核 CPU 还是多核 CPU,就都能保证原子性了。

简易锁模型

我们把一段需要互斥执行的代码称为临界区。线程在进入临界区之前,首先尝试加锁 lock(),如果成功,则进入临界区,此时我们称这个线程持有锁;否则呢就等待,直到持有锁的线程解锁;持有锁的线程执行完临界区的代码后,执行解锁 unlock()。

改进后的锁模型

锁和锁要保护的资源是有对应关系的,在并发编程世界里,锁和资源也应该有这个关系,但这个关系在我们上面的模型中是没有体现的,所以我们需要完善一下我们的模型。

  1. 首先,我们要把临界区要保护的资源标注出来,如图中临界区里增加了一个元素:受保护的资源 R;
  2. 其次,我们要保护资源 R 就得为它创建一把锁 LR;
  3. 最后,针对这把锁 LR,我们还需在进出临界区时添上加锁操作和解锁操作。
  4. 另外,在锁 LR 和受保护资源之间,我特地用一条线做了关联,这个关联关系非常重要。很多并发 Bug 的出现都是因为把它忽略了,然后就出现了类似锁自家门来保护他家资产的事情。

Java 语言提供的锁技术:synchronized

锁是一种通用的技术方案,Java 语言提供的 synchronized 关键字,就是锁的一种实现。synchronized 关键字可以用来修饰方法,也可以用来修饰代码块,它的使用示例基本上都是下面这个样子:

class X {
  // 修饰非静态方法
  synchronized void foo() {
    // 临界区
  }
  // 修饰静态方法
  synchronized static void bar() {
    // 临界区
  }
  // 修饰代码块
  Object obj = new Object();
  void baz() {
    synchronized(obj) {
      // 临界区
    }
  }
}  
  • Java 编译器会在 synchronized 修饰的方法或代码块前后自动加上加锁 lock() 和解锁 unlock()。
  • 当修饰静态方法的时候,锁定的是当前类的 Class 对象,在上面的例子中就是 Class X;当修饰非静态方法的时候,锁定的是当前实例对象 this。
class X {
  // 修饰静态方法
  synchronized(X.class) static void bar() {
    // 临界区
  }
}
class X {
  // 修饰非静态方法
  synchronized(this) void foo() {
    // 临界区
  }
}

用 synchronized 解决 count+=1 问题

锁和受保护资源的关系

受保护资源和锁之间的关联关系是 N:1 的关系。

class SafeCalc {
  static long value = 0L;
  synchronized long get() {
    return value;
  }
  synchronized static void addOne() {
    value += 1;
  }
}

如果你仔细观察,就会发现改动后的代码是用两个锁保护一个资源。这个受保护的资源就是静态变量 value,两个锁分别是 this 和 SafeCalc.class。我们可以用下面这幅图来形象描述这个关系。由于临界区 get() 和 addOne() 是用两个锁保护的,因此这两个临界区没有互斥关系,临界区 addOne() 对 value 的修改对临界区 get() 也没有可见性保证,这就导致并发问题了。

总结

互斥锁,在并发领域的知名度极高,只要有了并发问题,大家首先容易想到的就是加锁,因为大家都知道,加锁能够保证执行临界区代码的互斥性。临界区的代码是操作受保护资源的路径,不是随便一把锁都能有效。所以必须深入分析锁定的对象和受保护资源的关系,综合考虑受保护资源的访问路径,多方面考量才能用好互斥锁。

课后思考

下面的代码用 synchronized 修饰代码块来尝试解决并发问题,你觉得这个使用方式正确吗?有哪些问题呢?能解决可见性和原子性问题吗?

class SafeCalc {
  long value = 0L;
  long get() {
    synchronized (new Object()) {
      return value;
    }
  }
  void addOne() {
    synchronized (new Object()) {
      value += 1;
    }
  }
}

答:加锁本质就是在锁对象的对象头中写入当前线程id,但是new object每次在内存中都是新对象,所以加锁无效。
老师:一个合理的受保护资源与锁之间的关联关系应该是 N:1。只有共享一把锁才能起到互斥的作用。