互斥锁，解决原子性问题

并发编程有3个源头性问题：缓存导致的可见性问题，编译优化导致的有序性问题，以及线程切换导致的原子性问题。解决可见性问题和有序性问题的方法是按需禁用缓存和编译优化，Java的内存模型就是一种按需禁用缓存和编译优化的规则，它规定了 JVM 如何提供相关的方法，这些已经在Java内存模型与Hppens-Before规则进行了描述。

我们把一个或者多个操作在 CPU 执行过程中不被中断的特性称为原子性。由于操作系统的时间片轮转机制，以及高级语言可能包含多个指令，导致一句高级语言在执行过程中可能出现线程切换。在并发编程中就会因为线程切换导致原子性问题。

锁模型是解决原子性问题的通用方案。线程在进入临界区之前必须持有锁，退出临界区时释放锁，此时其他线程就能再次获取锁。

锁与资源之间是 1:N 的关系，即一把锁可以保护多个资源。同时要注意不能用自己的锁保护别人的资源；要让代码实现互斥，必须使用同一把锁。

synchronized 关键字是 Java 语言对锁模型的实现，它可以修饰方法或者代码块，被修饰的方法和代码块会隐式地添加lock()和unlock()方法。

什么是原子性问题

现代操作系统都是基于线程的分时调度系统，CPU会为线程分配时间片，线程分配都时间片就获取到CPU的使用权。比如说线程 A 读取文件，它可以将自己标记为「休眠状态」，让出 CPU 的使用权。文件读取完成之后，操作系统再将其唤醒，线程 A 就有机会重新获得 CPU 的使用权。

线程切换为什么导致并发问题呢？Java 是一门高级语言，高级语言的一条语句往往包含多个 CPU 指定，比如说 count += 1 这条语句，至少包含 3 条 CPU 指令：

1. 把变量 count 从内存加载到 CPU 的寄存器；
2. 在寄存器中执行 +1 操作；
3. 将结果写入内存（缓存机制导致可能写入的是 CPU 缓存而不是内存）。

操作系统以指令为单位执行，期间伴随着线程切换。这就导致 count += 1 执行到一半，就有可能碰到线程切换，导致并发问题的产生，如下图所示：

我们把一个或者多个操作在 CPU 执行过程中不被中断的特性称为原子性，即我们期望 count += 1 在执行过程中是原子一样的，不可分割的整体，线程切换不会在执行这条语句相关的CPU指令时发生，但允许线程切换在count += 1执行之前或者之后发生。

锁模型

锁模型是一种解决原子性问题的通用技术方案。在锁模型中，临界区是一段要互斥执行的代码，在进入临界区之前我们要执行 lock() 操作持有锁，只有获取到锁的线程才能执行临界区的代码；执行完临界区代码执行 unlock() 操作释放锁，此时其他线程就可以尝试获取锁。

在现实生活中，我们用锁来保护我们的东西，但不能用自己的锁来锁别人的东西。在锁模型中，锁与临界区中被保护的资源也有着关联关系，图中用箭头来表示它们之间的关联。

我们不能用一把锁来保护范围之外的资源，代码要实现互斥则要使用同一把锁。

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
    }
  }
}  

前面说过，锁模型中有锁以及它保护的资源，synchronized 修饰代码块的时候锁显然是 obj 对象，那么 synchronized 修饰非静态方法和静态方法的时候，它创建的锁是什么呢？

Java 中有一条隐式规则：

当修饰静态方法的时候，锁定的是当前类的 Class 对象；
当修饰非静态方法的时候，锁定的是当前实例对象 this。

相当于

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
  }
}

锁和受保护资源的关系

锁可以保护一个或者多个资源。我们可以用一个范围较大的锁，比如说 X.class 保护多个相关的资源；也可以用不同的锁对被保护资源进行精细化管理，这就叫细粒度锁。

一把锁保护一个资源

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

这是一段想解决 count += 1 问题的代码，我们对 addOne() 使用 synchronized 加上互斥锁，可以保证其原子性。根据 Happens-before 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，也可以保证其可见性。即使是 1000 个线程同时执行 addOne() 也可以保证 value 增加 1000。

但我们无法保证 get() 的可见性，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。所以我们给 get() 也加上锁：

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

此时 get() 和 addOne() 都持有 this 这把锁，此时 get() 和 addOne() 是互斥的，并且保证了可见性，缩模型如下图所示：

两把锁保护不同资源的问题

如果将 value 改为 static 的，addOne() 变为静态方法：

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

此时 get() 和 addOne() 分别持有不同的锁，get() 和 addOne() 不互斥，也就不能保证可见性，就会导致并发问题。

一把锁保护多个资源

现在要写一个银行转账的方法，用户 A 给用户 B 转账，将其转换成代码：

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

用户 A 给用户 B 转账 100，要保证 A 的余额减少 100，B 的余额增加 100。由于转账操作可以是并发的，所以要保证转账操作没有并发问题。比如说 A 的余额只有 100，两个线程分别执行 A 给 B 转账 100，A 给 C 转账 100，这两个线程有可能同时从内存中读取到 A 的余额是 100，这就产生了并发问题。

解决这个问题的第一反应，就是给 transfer(Account target, int amt) 加上 synchronized。这样做真的对么？transfer() 此时有两个需要被保护的资源 target.balance 和 this.balance 即别人钱和自己的钱，但我们使用的锁是 this 锁，如下图所示：

自己的锁 this 能保护自己的 this.balance 但是无法保护别人的 target.balance，就像我的锁不能即保护我家的东西，又保护你家的东西一样。

所以我们需要一把锁的范围更大一点，让它能够覆盖到所有的被保护资源，比如说传入同一个对象作为锁：

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;
      }
    }
  }
}

或者使用类锁 Accout.class，由于 Accoutn.class 是在 Java 虚拟机加载 Account 类时创建的，所以 Account.class 是所有 Account 对象共享且唯一的一把锁。

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;
      }
    }
  } 
}

Accout.class 就可以同时保护两个不同对象的临界区资源：

相关文章

03 | 互斥锁（上）：解决原子性问题

04 | 互斥锁（下）：如何用一把锁保护多个资源？