共享資源那麼多，如何用一把鎖保護多個資源？

2019 年 10 月 16 日
筆記

寫在前面

上一篇文章原子性問題的宏觀理解帶領大家了解了鎖和資源的模型，有了這篇文章的鋪墊，相信理解這一篇文章就非常輕鬆了

當我們要保護單個資源並對其進行修改其實很簡單，只需按照下圖分三步走

創建受保護資源 R 的鎖
加鎖進入臨界區
解鎖走出臨界區

上圖的關鍵是「R1 的鎖保護 R1」的指向關係是否正確

如果都是保護單個資源這樣簡單，程式猿的世界該有多美好，可惜並不是，通常我們需要保護多個資源

保護多個資源

保護多個沒有關係的資源

如果多個資源沒有關係，那就是保護一個資源模型的複製，同樣非常簡單，且看下圖:

比如現實中銀行取款和修改密碼操作。
銀行取款操作對應的資源是「餘額」, 修改密碼操作對應的資源是「密碼」，餘額和密碼兩個資源完全沒有關係，所以各自用自家的鎖保護自家的資源就好了

如果多個資源沒有關係，程式猿的世界該有多美好，可惜並不是，我們保護的資源多數情況都有關聯關係

保護多個關係的資源

拿經典的銀行轉賬案例來說明，賬戶 A 給賬戶 B 轉賬，賬戶 A 餘額減少 100 元，賬戶 B 餘額增加 100 元，這個操作要是原子性的，那麼資源「A 餘額」和資源「B 餘額」就這樣"有了關係"，先來看程式:

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

用 synchronized 直接保護 transfer 方法，然後操作資源「A 餘額」和資源「B 餘額」就可以了

⚠️: 真的是這樣嗎？

先停止向下看，在你的筆記型電腦上按照文章開頭的三步走來畫個圖看一看，是否和下圖一樣呢？

我們通常容易忽略鎖和資源的指向關係，我們想當然的用鎖 this 來保護 target 資源了，也就沒有起到保護作用

假設 A，B，C 賬戶初始餘額都是 200 原，A 向 B 轉賬 100，B 向 C 轉賬 100

我們期盼最終的結果是:
賬戶 A 餘額: 100 元
賬戶 B 餘額: 200 元
賬戶 C 餘額: 300 元

假執行緒 1「A 向 B 轉賬」與執行緒 2「B 向 C 轉賬」兩個操作同時執行，根據 JMM 模型可知，執行緒 1 和執行緒 2 讀取執行緒 B 當前的餘額都是 200 元:

執行緒 1 執行 transfer 方法鎖定的是 A 的實例(A.this)，並沒有鎖定 B 的實例
執行緒 2 執行 transfer 方法鎖定的是 B 的實例(B.this)，並沒有鎖定 C 的實例

所以執行緒 1 和執行緒 2 可以同時進入 transfer 臨界區，上面你認為對的模型其實就會變成這個樣子:

還記得 happens-before 規則這篇文章提到的監視器鎖規則和傳遞性規則嗎？

監視器鎖規則

對一個鎖的解鎖 happens-before 於隨後對這個鎖的加鎖

傳遞性規則

如果 A happens-before B, 且 B happens-before C, 那麼 A happens-before C

資源 B.balance 存在於兩個"臨界區"中，所以這個"臨界區"對 B.balance 來說形同虛設，也就不滿足監視器鎖規則，進而導致傳遞性規則也不生效，說白了，前序執行緒的更改結果對後一個執行緒不可見

這樣最終導致:

賬戶 B 的餘額可能是 100: 執行緒 1 寫 B.balance 100(balance = 300) 先於執行緒 2 寫 B.balance(balance = 100)，也就是說執行緒 1 的結果會被執行緒 2 覆蓋，導致最終賬戶 B 的餘額為 100
賬戶 B 的餘額可能是 300: 與上述情況相反，執行緒 1 寫 B.balance 100(balance = 300) 後於執行緒 2 寫 B.balance(balance = 100)，也就是說執行緒 2 的結果執行緒 1 覆蓋，導致最終賬戶 B 的餘額為 300

就是不能得到我們理想結果 200，感覺生活無比的艱難，那怎麼辦呢？

正確姿勢

上面的問題就是為資源創建的鎖不能保護所有關聯的資源，那我們就想辦法解決這個問題，來看下面程式碼:

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

我們將 this 鎖變為 Account.class 鎖，Account.class 是虛擬機載入 Account 類時創建的，肯定是唯一的(雙親委派模型解釋了為何該對象是唯一的)，所有 Account 對象都共享 Account.class, 也就是說，Account.class 鎖能保護所有 Account 對象，我們將上面程式再用模型解釋一下

總結

到這裡關於鎖和資源的關係你應該了解的更加透徹了，單個資源和多個無關聯資源的情形都很好處理，為各自資源創建相應的鎖就好，如果多個資源有關聯，為了讓鎖起到保護作用，我們需要將鎖的粒度變大，比如將 this 鎖變成了 Account.class 鎖。

轉賬業務非常常見，並發量非常大，如果我們將鎖的粒度都提升到 Account.class 這個級別(分久必合)，假設每次轉賬業務都很耗時，那麼顯然這個鎖的性能是比較低的，所以接下來的文章，我們還會繼續優化這個模型，選擇合適的鎖粒度，同時能保護多個有關聯的資源，

我們的鎖粒度雖然大，但是我們保障了賬戶的安全，所以並發編程可以先保證事情做對，遇到瓶頸了，慢慢優化改變相應的模型就好了，當然熟練理解這個模型以後，一步到位的並發編程模型當然是極好的……

靈魂追問

還記得 happens-before 的幾個原則嗎？
偏向鎖，輕量鎖，重量鎖是不是和我們這節內容有異曲同工之處呢？
提前想一下，我們如何來優化這個模型呢？

附加說明

如果你對這篇文章理解有些困難，可以按照下面的順序回憶前序文章相關內容

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