生活中隨處可見并行的例子，并行 顧名思義就是一起進(jìn)行的意思，同樣的程序在某些時候也需要并行來提高效率，在上一篇文章中我們了解了 Java 語言對緩存導(dǎo)致的可見性問題、編譯優(yōu)化導(dǎo)致的順序性問題的解決方法，下面我們就來看看 Java 中解決因線程切換導(dǎo)致的原子性問題的解決方案 -- 鎖 。

說到鎖我們并不陌生，日常工作中也可能經(jīng)常會用到，但是我們不能只停留在用的層面上，為什么要加鎖，不加鎖行不行，不行的話會導(dǎo)致哪些問題，這些都是在使用加鎖語句時我們需要考慮的。

來看一個使用 32 位的 CPU 寫 long 型變量需不需要加鎖的問題：

我們知道 long 型變量長度為 64 位，在 32 位 CPU 上寫 long 型變量至少需要拆分成 2 個步驟：一次寫 高 32 位，一次寫低 32 位。

對于單核 CPU 來說，同一時刻只有一個線程在執(zhí)行，禁止 CPU 中斷就意味著禁止線程切換，獲得 CPU 使用權(quán)的這個線程就會一直運行，所以 2 次寫操作要么同時都被執(zhí)行，要么都不被執(zhí)行，單核 CPU 是保證原子性的。

對于多核 CPU，同一時刻，一個線程在 CPU-1 上運行，另一個線程在 CPU-2 上運行，此時禁止 CPU 切換，只能保證 CPU 上有線程運行，并不能保證同一時刻只有一個線程運行，如果兩個線程同時都在寫高位，那么得出的結(jié)果可就不正確了。

所以，互斥修改共享變量這個條件非常重要，也就是說同一時刻只有一個線程在修改共享變量，只要保證這個條件，不論單核還是多核，操作就都是原子性的了。

一說到互斥、原子性，我們馬上就想到了代碼加鎖，沒錯加鎖是正確的選擇，但是怎么加呢？ 要想知道怎么加鎖，首先我們要知道加鎖鎖的是什么以及我們想要保護(hù)的資源是什么，看下圖說說鎖的是什么，要保護(hù)的是什么呢？

圖中鎖的 M 資源，保護(hù)的也是 M 資源。

程序中的鎖與現(xiàn)實中的鎖也是類似的，每一把鎖都有自己要保護(hù)的資源，這是至關(guān)重要的，如圖保護(hù)資源 M 的鎖為 LM，就像我家大門的鎖保護(hù)我家，你家大門的鎖保護(hù)你家一樣，如果程序出現(xiàn)類似我家大門鎖保護(hù)你家的情況，那么就會導(dǎo)致詭異的并發(fā)問題了。

了解了鎖的是什么與保護(hù)的是什么之后，我們看看怎么加鎖的問題，還是用 count += 1 的例子，看代碼：

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

分析一下，這段代碼中鎖的是當(dāng)前對象，要保護(hù)的資源是對象中的成員屬性 value，這樣的加鎖方式開啟10 個線程分別調(diào)用 10000次 addOne()方法，我們預(yù)期的結(jié)果是 value 最終會達(dá)到 100000，結(jié)果如何呢 ?

經(jīng)過測試，addOne() 不加 synchronized 結(jié)果會出現(xiàn)小于 100000 的情況，加上 synchronized 結(jié)果符合我們的預(yù)期,針對測試結(jié)果，簡要分析如下：

加鎖之后，線程之間是互斥的，也就是說同一時刻只有一個線程執(zhí)行，這樣就原子性可以保證了。

那么可見性呢？一個線程操作結(jié)束后另一個線程能獲取到上一個線程的操作結(jié)果嗎？答案是肯定的，這就跟我們上一章說的 happen before 原則聯(lián)系到一起了，“一個鎖的解鎖操作對另一個鎖的加鎖操作是可見的”,再結(jié)合傳遞性規(guī)則，一個鎖在解鎖前，對共享變量的修改，即解鎖前對共享變量修改 happen before 于 這個鎖的解鎖，這個鎖的解鎖操作 happen before于另一個鎖的加鎖。

所以，解鎖前對共享變量修改happen before于另一個鎖的加鎖，也就是說解鎖前對共享變量修改對于另一個鎖的加鎖是可見的。

到這一切看似還挺完美，其實我們忽略了 get() 方法，多線程操作 get() 方法會是安全的嗎？在沒有任何前提操作的情況下，直接調(diào)用 get() 方法當(dāng)然沒問題，就是取值又不涉及修改。但是如果在執(zhí)行 addOne() 方法后調(diào)用呢？顯然，這時候 value 值的修改對 get() 方法是不可見的，happen before 中只說了鎖的規(guī)則，這里要想保證可見性，對 get()方法也需要加上一把鎖。代碼如下：

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

這里我們用同一把鎖，保護(hù)了共享資源 value。說到這，我們根據(jù)資源關(guān)系來將使用鎖的情況分為兩種：

保護(hù)沒有關(guān)系的多個資源

保護(hù)有關(guān)系的多個資源

對于 1 的情況，由于屬性之間沒有關(guān)系，每個資源都用一把鎖來控制，例如修改賬戶的密碼、修改余額操作，密碼與余額是沒有關(guān)系的資源，分別用兩把鎖來控制即可，這種鎖叫做細(xì)粒度鎖，使用不同的鎖對受保護(hù)的資源進(jìn)行精細(xì)化管理，可以提升性能。

對于 2 的情況 ，則需要粒度更大的鎖去保護(hù)多個資源，看下面這段代碼：

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

乍一看，沒問題，轉(zhuǎn)賬操作加了鎖，妥妥的。其實則不然，看圖就明白了：

現(xiàn)在這就是"用我家鎖鎖了你家"的典型例子，這時候臨界區(qū)有多個資源，我們應(yīng)該使用更大粒度的鎖，看看這樣改怎么樣：

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

這里我們用 Account.class 作為更大粒度的鎖是可行的， class 就是我們常說的 “類模板”，在 JVM 中只會加載一次，所以所有 Account 對象的類模板都是相同的，這樣就能夠保證用一把大鎖鎖住了有關(guān)系的共享資源。

問題是解決了，仔細(xì)一想，如果用 Account.class 作為鎖，那豈不是所有的轉(zhuǎn)賬操作都是串行了，這樣肯定是不行的，生活中轉(zhuǎn)賬肯定也不是串行的，如果串行那效率真的是很太差了。

正確的方式應(yīng)該是這樣的：

class Account {
 //靜態(tài)屬性 替代 Account.class 作為一把大鎖
 private static Object lock = new Object();
 private int balance;
 // 轉(zhuǎn)賬
 void transfer(Account target, int amt){
  synchronized(lock) {
   if (this.balance > amt) {
    this.balance -= amt;
    target.balance += amt;
   }
  }
 }

這樣一改，效率就上來了，問題也解決了，實際在開發(fā)中我們這也是我們最常用的加鎖的方式，使用靜態(tài)成員屬性作為鎖去保護(hù)有關(guān)系的多個資源。

總結(jié)：

我們從導(dǎo)致并發(fā) bug 的原子性問題解決辦法---加鎖入手，了解了常規(guī)加鎖方式背后的邏輯---鎖的是什么與保護(hù)的是什么，與加鎖后變量的傳遞性規(guī)則，到最后不同資源關(guān)系對應(yīng)著不同的加鎖方式---細(xì)粒度鎖，粗粒度鎖。

以上就是本文的全部內(nèi)容，希望對大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持腳本之家。

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