用String实现同步锁，你会吗？

2020 年 2 月 14 日
筆記

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如何基于String实现同步锁？

在某些时候，我们可能想基于字符串做一些事情，比如:针对同一用户的并发同步操作，使用锁字符串的方式实现比较合理。因为只有在相同字符串的情况下，并发操作才是不被允许的。而如果我们不分青红皂白直接全部加锁，那么整体性能就下降得厉害了。

因为string的多样性，看起来string锁是天然比分段锁之类的高级锁更有优势呢。

因为String 类型的变量赋值是这样的: String a = "hello world."; 所有往往会有个错误的映象，String对象就是不可变的。

额，关于这个问题的争论咱们就不细说了，总之， "a" != "a" 是有可能成立的。

另外，针对上锁这件事，我们都知道，锁是要针对同一个对象，才会有意义。所以，粗略的，我们可以这样使用字符串锁:

public void method1() {          String str1 = "a";          synchronized (str1) {              // do sync a things...          }      }    public void method2() {          String str2 = "a";          synchronized (str2) {              // do sync b things...          }      }

乍一看，这的确很方便简单。但是，前面说了， "a" 是可能不等于 "a" 的（这是大部分情况，只有当String被存储在常量池中时值相同的String变量才相等）。

所以，我们可以稍微优化下:

public void method3() {          String str1 = "a";          synchronized (str1.intern()) {              // do sync a things...          }      }    public void method4() {          String str2 = "a";          synchronized (str2.intern()) {              // do sync b things...          }      }

看起来还是很方便简单的，其原理就是把String对象放到常量池中。但是会有个问题，这些常量池的数据如何清理呢？

不管怎么样，我们是不是可以自己去基于String实现一个锁呢？

肯定是可以的了！直接上代码！

import org.slf4j.Logger;  import org.slf4j.LoggerFactory;    import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;  import java.util.concurrent.ConcurrentMap;  import java.util.concurrent.CountDownLatch;    /**   * 基于string 的锁实现   */  public final class StringBasedMutexLock {        private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(StringBasedMutexLock.class);        /**       * 字符锁 管理器, 将每个字符串 转换为一个 CountDownLatch       *       *      即锁只会发生在真正有并发更新 同一个 String 的情况下       *       */      private static final ConcurrentMap<String, CountDownLatch> lockKeyHolder = new ConcurrentHashMap<>();        /**       * 基于lockKey 上锁，同步执行       *       * @param lockKey 字符锁       */      public static void lock(String lockKey) {          while (!tryLock(lockKey)) {              try {                  logger.debug("【字符锁】并发更新锁升级, {}", lockKey);                  blockOnSecondLevelLock(lockKey);              } catch (InterruptedException e) {                  Thread.currentThread().interrupt();                  logger.error("【字符锁】中断异常:" + lockKey, e);                  break;              }          }      }        /**       * 释放 lockKey 对应的锁选项，使其他线程可执行       *       * @param lockKey 要使用互斥的字符串       * @return true: 释放成功, false: 释放失败，可能被其他线程误释放       */      public static boolean unlock(String lockKey) {          // 先删除锁，再释放锁，此处会导致后续进来的并发优先执行，无影响          CountDownLatch realLock = getAndReleaseLock1(lockKey);          releaseSecondLevelLock(realLock);          return true;      }        /**       * 尝试给指定字符串上锁       *       * @param lockKey 要使用互斥的字符串       * @return true: 上锁成功, false: 上锁失败       */      private static boolean tryLock(String lockKey) {          // 此处会导致大量 ReentrantLock 对象创建吗？          // 其实不会的，这个数量最大等于外部并发数，只是对 gc 不太友好，会反复创建反复销毁y          return lockKeyHolder.putIfAbsent(lockKey, new CountDownLatch(1)) == null;      }        /**       * 释放1级锁（删除） 并返回重量级锁       *       * @param lockKey 字符锁       * @return 真正的锁       */      private static CountDownLatch getAndReleaseLock1(String lockKey) {          return lockKeyHolder.remove(lockKey);      }        /**       * 二级锁锁定（锁升级）       *       * @param lockKey 锁字符串       * @throws InterruptedException 中断时抛出异常       */      private static void blockOnSecondLevelLock(String lockKey) throws InterruptedException {          CountDownLatch realLock = getRealLockByKey(lockKey);          // 为 null 说明此时锁已被删除，  next race          if(realLock != null) {              realLock.await();          }      }        /**       * 二级锁解锁（如有必要）       *       * @param realLock 锁实例       */      private static void releaseSecondLevelLock(CountDownLatch realLock) {          realLock.countDown();      }        /**       * 通过key 获取对应的锁实例       *       * @param lockKey 字符串锁       * @return 锁实例       */      private static CountDownLatch getRealLockByKey(String lockKey) {          return lockKeyHolder.get(lockKey);      }    }

使用时，只需传入 lockKey 即可。这样做有什么好处吗？

使用ConcurrentHashMap实现锁获取，性能还是不错的;
每个字符串对应一个锁，使用完成后就删除，不会导致内存溢出问题;
可以作为一个外部工具使用，业务代码接入方便，无需像 synchronized 一样，需要整段代码包裹起来;
本文只是想展示实现 String 锁，此锁并不适用于分布式场景下的并发处理;

扩展: 如果不使用 String 做锁，如何保证大并发前提下的小概率并发场景的线程安全？

我们知道 CAS 的效率是比较高的，我们可以使用原子类来进行CAS的操作。

比如,我们添加一状态字段, 操作此字段以保证线程安全:

/**       * 运行状态       *       *         4: 正在删除, 1: 正在放入队列中, 0: 正常无运行       */      private transient volatile AtomicInteger runningStatus = new AtomicInteger(0);          // 更新时先获取该状态:      public void method5() {          AtomicInteger runningStatus = link.getRunningStatus();          // 正在删除数据过程中，则等待          if(!runningStatus.compareAndSet(0, 1)) {              // 1. 等待另外线程删除完成              // 2. 删除正在更新标识              // 3. 重新运行本次数据放入逻辑              long lockStartTime = System.currentTimeMillis();              long maxLockTime = 10 * 1000;              while (!runningStatus.compareAndSet(0, 1)) {                  if(System.currentTimeMillis() - lockStartTime > maxLockTime) {                      break;                  }              }              runningStatus.compareAndSet(1, 0);              throw new RuntimeException("数据正在更新,重新运行: " + link.getLinkKey() + link);          }          try {              // do sync things          }          finally {              runningStatus.compareAndSet(1, 0);          }      }        public void method6() {          AtomicInteger runningStatus = link.getRunningStatus();          if (!runningStatus.compareAndSet(0, 4)) {              logger.error(" 数据正在更新中，不得删除，返回 ");              return;          }          try {              // do sync things          }          catch (Exception e) {              logger.error("并发更新异常:", e);          }          finally {              runningStatus.compareAndSet(4, 0);          }      }

实际测试下来，CAS 性能是要比 synchronized 之类的锁性能要好的。当然，我们这里针对的并发数都是极少的，我们只是想要保证这极少情况下的线程安全性。所以，其实也还好。

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