互斥锁深度理解与使用

Dear 丶 2024-03-22 09:44 55阅读 0赞

大家好，我是易安!

我们知道一个或者多个操作在CPU执行的过程中不被中断的特性，称为“原子性”。理解这个特性有助于你分析并发编程Bug出现的原因，例如利用它可以分析出long型变量在32位机器上读写可能出现的诡异Bug，明明已经把变量成功写入内存，重新读出来却不是自己写入的。

**那原子性问题到底该如何解决呢？**

原子性问题的源头是 **线程切换**，如果能够禁用线程切换那不就能解决这个问题了吗？而操作系统做线程切换是依赖CPU中断的，所以禁止CPU发生中断就能够禁止线程切换。

在早期单核CPU时代，这个方案的确是可行的，而且也有很多应用案例，但是并不适合多核场景。这里我们以32位CPU上执行long型变量的写操作为例来说明这个问题，long型变量是64位，在32位CPU上执行写操作会被拆分成两次写操作（写高32位和写低32位，如下图所示）。

![alt][]

在单核CPU场景下，同一时刻只有一个线程执行，禁止CPU中断，意味着操作系统不会重新调度线程，也就是禁止了线程切换，获得CPU使用权的线程就可以不间断地执行，所以两次写操作一定是：要么都被执行，要么都没有被执行，具有原子性。

但是在多核场景下，同一时刻，有可能有两个线程同时在执行，一个线程执行在CPU-1上，一个线程执行在CPU-2上，此时禁止CPU中断，只能保证CPU上的线程连续执行，并不能保证同一时刻只有一个线程执行，如果这两个线程同时写long型变量高32位的话，那就有可能出现我们开头提及的诡异Bug了。

“ **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** ###

当谈到互斥，相信你一定想到了那个杀手级解决方案：锁。同时大脑中还会出现以下模型：

![alt][alt 1]

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()。

这个过程非常像办公室里高峰期抢占坑位，每个人都是进坑锁门（加锁），出坑开门（解锁），如厕这个事就是临界区。很长时间里，我也是这么理解的。这样理解本身没有问题，但却很容易让我们忽视两个非常非常重要的点：我们锁的是什么？我们保护的又是什么？

### **改进后的锁模型** ###

我们知道在现实世界里，锁和锁要保护的资源是有对应关系的，比如你用你家的锁保护你家的东西，我用我家的锁保护我家的东西。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。

![alt][alt 2]

改进后的锁模型

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；其次，我们要保护资源R就得为它创建一把锁LR；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。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，这样的Bug非常不好诊断，因为潜意识里我们认为已经正确加锁了。

### **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
        }
      }
    }

看完之后你可能会觉得有点奇怪，这个和我们上面提到的模型有点对不上号啊，加锁lock()和解锁unlock()在哪里呢？其实这两个操作都是有的，只是这两个操作是被Java默默加上的，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()，这样做的好处就是加锁lock()和解锁unlock()一定是成对出现的，毕竟忘记解锁unlock()可是个致命的Bug（意味着其他线程只能死等下去了）。

那synchronized里的加锁lock()和解锁unlock()锁定的对象在哪里呢？上面的代码我们看到只有修饰代码块的时候，锁定了一个obj对象，那修饰方法的时候锁定的是什么呢？这个也是Java的一条隐式规则：

> 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。

对于上面的例子，synchronized修饰静态方法相当于:

class X {
        
      // 修饰静态方法
      synchronized(X.class) static void bar() {
        
        // 临界区
      }
    }

修饰非静态方法，相当于：

class X {
        
      // 修饰非静态方法
      synchronized(this) void foo() {
        
        // 临界区
      }
    }

### **用synchronized解决count+=1问题** ###

相信你一定记得我们前面文章中提到过的count+=1存在的并发问题，现在我们可以尝试用synchronized来小试牛刀一把，代码如下所示。SafeCalc这个类有两个方法：一个是get()方法，用来获得value的值；另一个是addOne()方法，用来给value加1，并且addOne()方法我们用synchronized修饰。那么我们使用的这两个方法有没有并发问题呢？

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

我们先来看看addOne()方法，首先可以肯定，被synchronized修饰后，无论是单核CPU还是多核CPU，只有一个线程能够执行addOne()方法，所以一定能保证原子操作，那是否有可见性问题呢？这里我们不得不提到 **管程中锁的规则**。

> 管程中锁的规则：对一个锁的解锁 Happens-Before 于后续对这个锁的加锁。

管程，就是我们这里的synchronized（至于为什么叫管程，我们后面介绍），我们知道synchronized修饰的临界区是互斥的，也就是说同一时刻只有一个线程执行临界区的代码；而所谓“对一个锁解锁 Happens-Before 后续对这个锁的加锁”，指的是前一个线程的解锁操作对后一个线程的加锁操作可见，综合Happens-Before的传递性原则，我们就能得出前一个线程在临界区修改的共享变量（该操作在解锁之前），对后续进入临界区（该操作在加锁之后）的线程是可见的。

按照这个规则，如果多个线程同时执行addOne()方法，可见性是可以保证的，也就说如果有1000个线程执行addOne()方法，最终结果一定是value的值增加了1000。看到这个结果，我们长出一口气，问题终于解决了。

但也许，你一不小心就忽视了get()方法。执行addOne()方法后，value的值对get()方法是可见的吗？这个可见性是没法保证的。管程中锁的规则，是只保证后续对这个锁的加锁的可见性，而get()方法并没有加锁操作，所以可见性没法保证。那如何解决呢？很简单，就是get()方法也synchronized一下，完整的代码如下所示。

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

上面的代码转换为我们提到的锁模型，就是下面图示这个样子。get()方法和addOne()方法都需要访问value这个受保护的资源，这个资源用this这把锁来保护。线程要进入临界区get()和addOne()，必须先获得this这把锁，这样get()和addOne()也是互斥的。

![alt][alt 3]

保护临界区get()和addOne()的示意图

这个模型更像现实世界里面球赛门票的管理，一个座位只允许一个人使用，这个座位就是“受保护资源”，球场的入口就是Java类里的方法，而门票就是用来保护资源的“锁”，Java里的检票工作是由synchronized解决的。

### **锁和受保护资源的关系** ###

我们前面提到，受保护资源和锁之间的关联关系非常重要，他们的关系是怎样的呢？一个合理的关系是： **受保护资源和锁之间的关联关系是N:1的关系**。还拿前面球赛门票的管理来类比，就是一个座位，我们只能用一张票来保护，如果多发了重复的票，那就要打架了。现实世界里，我们可以用多把锁来保护同一个资源，但在并发领域是不行的，并发领域的锁和现实世界的锁不是完全匹配的。不过倒是可以用同一把锁来保护多个资源，这个对应到现实世界就是我们所谓的“包场”了。

上面那个例子我稍作改动，把value改成静态变量，把addOne()方法改成静态方法，此时get()方法和addOne()方法是否存在并发问题呢？

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。

![alt][alt 4]

两把锁保护一个资源的示意图

刚刚我们谈过 **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，我们下面就来聊聊。

当我们要保护多个资源时，首先要区分这些资源是否存在关联关系。

### **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。

![alt][alt 5]

用锁this保护this.balance和target.balance的示意图

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。

![alt][alt 6]

并发转账示意图

### **使用锁的正确姿势** ###

刚刚，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。

![alt][alt 7]

### **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。这样理解虽然正确，但是却不能够指导你真正用好互斥锁。临界区的代码是操作受保护资源的路径，类似于球场的入口，入口一定要检票，也就是要加锁，但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。

synchronized是Java在语言层面提供的互斥原语，其实Java里面还有很多其他类型的锁，但作为互斥锁，原理都是相通的：锁，一定有一个要锁定的对象，至于这个锁定的对象要保护的资源以及在哪里加锁/解锁，就属于设计层面的事情了。

对如何保护多个资源，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**。

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