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【高并发】如何使用互斥锁解决多线程的原子性问题?这次终于明白了!

大家好,我是冰河~~

在《

【高并发】如何解决可见性和有序性问题?这次彻底懂了! 》一文中,我们了解了Java是如何解决多线程之间的可见性和有序性问题。另外,通过《 【高并发】为何在32位多核CPU上执行long型变量的写操作会出现诡异的Bug问题?看完这篇我懂了! 》一文,我们得知在32位多核CPU上读写long型数据出现问题的根本原因是线程切换带来的原子性问题。

如何保证原子性?

那么,如何解决线程切换带来的原子性问题呢?答案是 保证多线程之间的互斥性。也就是说,在同一时刻只有一个线程在执行! 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,都能保证多线程之间的原子性了。

锁模型

说到线程之间的互斥,我们可以想到在并发编程中使用锁来保证线程之前的互斥性。我们可以锁模型简单的使用下图来表示。

【高并发】如何使用互斥锁解决多线程的原子性问题?这次终于明白了!

我们可以将上图中受保护的资源,也就是需要多线程之间互斥执行的代码称为临界区。线程进入临界区之前,会首先尝试加锁操作lock(),如果加锁成功,则进入临界区执行临界区中的代码,则当前线程持有锁;如果加锁失败,就会等待,直到持有锁的线程释放锁后,当前线程获取到锁进入临界区;进入临界区的线程执行完代码后,会执行解锁操作unlock()。

其实,在这个锁模型中,我们忽略了一些非常重要的内容:那就是我们对什么东西加了锁?需要我们保护的资源又是什么呢?

改进的锁模型

在并发编程中对资源进行加锁操作时,我们需要明确对什么东西加了锁?而需要我们保护的资源又是什么?只有明确了这两点,才能更好的利用Java中的互斥锁。所以,我们需要将锁模型进行修改,修改后的锁模型如下图所示。

【高并发】如何使用互斥锁解决多线程的原子性问题?这次终于明白了!

在改进的锁模型中,首先创建一把保护资源的锁,使用这个保护资源的锁进行加锁操作,然后进入临界区执行代码,最后进行解锁操作释放锁。其中,创建的保护资源的锁,就是对临界区特定的资源进行保护。

这里需要注意的是:我们在改进的锁模型中,特意将创建保护资源的锁用箭头指向了临界区中的受保护的资源。目的是为了说明特定资源的锁是为了保护特定的资源,如果一个资源的锁保护了其他的资源,那么就会出现诡异的Bug问题,这样的Bug非常不好调试,因为我们自身会觉得,我明明已经对代码进行了加锁操作,可为什么还会出现问题呢?如果出现了这种问题,你就要排查下你创建的锁,是不是真正要保护你需要保护的资源了。

Java中的synchronized锁

说起,Java中的synchronized锁,相信大家并不陌生了,synchronized关键字可以用来修饰方法,也可以用来修饰代码块。例如,下面的代码片段所示。

public class LockTest{
    //创建需要加锁的对象
    private Object obj = new Object();
    //修饰代码块
    public void run(){
        synchronized(obj){
            //临界区:受保护的资源
            System.out.println("测试run()方法的同步");
        }
    }
    //使用synchronized修饰非静态方法
    public synchronized void execute(){
        //临界区:受保护的资源
        System.out.println("测试execute()方法的同步");
    }

    //使用synchronized修饰静态方法
    public synchronized static void submit(){
        //临界区:受保护的资源
        System.out.println("测试submit方法的同步");
    }
}           

在上述的代码中,我们只是对方法(包括静态方法和非静态方法)和代码块使用了synchronized关键字,并没有执行lock()和unlock()操作。本质上,synchronized的加锁和解锁操作都是由JVM来完成的,Java编译器会在synchronized修饰的方法或代码块的前面自动加上加锁操作,而在其后面自动加上解锁操作。

在使用synchronized关键字加锁时,Java规定了一些隐式的加锁规则。

  • 当使用synchronized关键字修饰代码块时,锁定的是实际传入的对象。
  • 当使用synchronized关键字修饰非静态方法时,锁定的是当前实例对象this。
  • 当使用synchronized关键字修饰静态方法时,锁定的是当前类的Class对象。

synchronized揭秘

使用synchronized修饰代码块和方法时JVM底层实现的JVM指令有所区别,我们以LockTest类为例,对LockTest类进行反编译,如下所示。

D:\>javap -c LockTest.class
Compiled from "LockTest.java"
public class io.mykit.concurrent.lab03.LockTest {
  public io.mykit.concurrent.lab03.LockTest();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: aload_0
       5: new           #2                  // class java/lang/Object
       8: dup
       9: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
      12: putfield      #3                  // Field obj:Ljava/lang/Object;
      15: return

  public void run();
    Code:
       0: aload_0
       1: getfield      #3                  // Field obj:Ljava/lang/Object;
       4: dup
       5: astore_1
       6: monitorenter
       7: getstatic     #4                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
      10: ldc           #5                  // String 测试run()方法的同步
      12: invokevirtual #6                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
      15: aload_1
      16: monitorexit
      17: goto          25
      20: astore_2
      21: aload_1
      22: monitorexit
      23: aload_2
      24: athrow
      25: return
    Exception table:
       from    to  target type
           7    17    20   any
          20    23    20   any

  public synchronized void execute();
    Code:
       0: getstatic     #4                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       3: ldc           #7                  // String 测试execute()方法的同步
       5: invokevirtual #6                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
       8: return

  public static synchronized void submit();
    Code:
       0: getstatic     #4                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       3: ldc           #8                  // String 测试submit方法的同步
       5: invokevirtual #6                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
       8: return
}           

分析反编译代码块

从反编译的结果来看,synchronized在run()方法中修饰代码块时,使用了monitorenter 和monitorexit两条指令,如下所示。

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对于monitorenter指令,查看JVM的技术规范后,可以得知:

每个对象有一个监视器锁(monitor)。当monitor被占用时就会处于锁定状态,线程执行monitorenter指令时尝试获取monitor的所有权,过程如下:

1、如果monitor的进入数为0,则该线程进入monitor,然后将进入数设置为1,该线程即为monitor的所有者。

2、如果线程已经占有该monitor,只是重新进入,则进入monitor的进入数加1.

3.如果其他线程已经占用了monitor,则该线程进入阻塞状态,直到monitor的进入数为0,再重新尝试获取monitor的所有权。

对于monitorexit指令,JVM技术规范如下:

执行monitorexit的线程必须是objectref所对应的monitor的所有者。

指令执行时,monitor的进入数减1,如果减1后进入数为0,那线程退出monitor,不再是这个monitor的所有者。其他被这个monitor阻塞的线程可以尝试去获取这个 monitor 的所有权。

通过这两段描述,我们应该能很清楚的看出synchronized的实现原理,synchronized的语义底层是通过一个monitor的对象来完成,其实wait/notify等方法也依赖于monitor对象,这就是为什么只有在同步的块或者方法中才能调用wait/notify等方法,否则会抛出java.lang.IllegalMonitorStateException的异常的原因。

分析反编译方法

从反编译的代码来看,synchronized无论是修饰非静态方法还是修饰静态方法,其执行的流程都是一样,例如,我们这里对非静态方法execute()和静态方法submit()的反编译结果如下所示。

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注意:我这里使用的JDK版本为1.8,其他版本的JDK可能结果不同。

再次深究count+=1的问题

如果多个线程并发的对共享变量count执行加1操作,就会出现问题。此时,我们可以使用synchronized锁来尝试解决下这个问题。

例如,TestCount类中有两个方法,一个是getCount()方法,用来获取count的值;另一个是incrementCount()方法,用来给count值加1,并且incrementCount()方法使用synchronized关键字修饰,如下所示。

public class TestCount{
    private long count = 0L;
    public long getCount(){
        return count;
    }
    public synchronized void incrementCount(){
        count += 1;
    }
}           

通过上面的代码,我们肯定的是incrementCount()方法被synchronized关键字修饰后,无论是单核CPU还是多核CPU,此时只有一个线程能够执行incrementCount()方法,所以,incrementCount()方法一定可以保证原子性。

这里,我们还要思考另一个问题:上面的代码是否存在可见性问题呢?回答这个问题之间,我们还需要看下《

》一文中,Happens-Before原则的【原则四】锁定规则:对一个锁的解锁操作 Happens-Before于后续对这个锁的加锁操作。

在上面的代码中,使用synchronized关键字修饰的incrementCount()方法是互斥的,也就是说,在同一时刻只有一个线程执行incrementCount()方法中的代码;而Happens-Before原则的【原则四】锁定规则:对一个锁的解锁操作 Happens-Before于后续对这个锁的加锁操作。 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,再综合Happens-Before原则的【原则三】传递规则:如果A Happens-Before B,并且B Happens-Before C,则A Happens-Before C。我们可以得出一个结论:前一个线程在临界区修改的共享变量(该操作在解锁之前),对后面进入这个临界区(该操作在加锁之后)的线程是可见的。

经过上面的分析,如果多个线程同时执行incrementCount()方法,是可以保证可见性的,也就是说,如果有100个线程同时执行incrementCount()方法,count变量的最终结果为100。

但是,还没完,TestCount类中还有一个getCount()方法,如果执行了incrementCount()方法,count变量的值对getCount()方法是可见的吗?

》一文中,Happens-Before原则的【原则四】锁定规则:对一个锁的解锁操作 Happens-Before于后续对这个锁的加锁操作。 只能保证后续对这个锁的加锁的可见性。而getCount()方法没有执行加锁操作,所以,无法保证incrementCount()方法的执行结果对getCount()方法可见。

如果需要保证incrementCount()方法的执行结果对getCount()方法可见,我们也需要为getCount()方法使用synchronized关键字修饰。所以,TestCount类的代码如下所示。

public class TestCount{
    private long count = 0L;
    public synchronized long getCount(){
        return count;
    }
    public synchronized void incrementCount(){
        count += 1;
    }
}           

此时,为getCount()方法也添加了synchronized锁,而且getCount()方法和incrementCount()方法锁定的都是this对象,线程进入getCount()方法和incrementCount()方法时,必须先获得this这把锁,所以,getCount()方法和incrementCount()方法是互斥的。也就是说,此时,incrementCount()方法的执行结果对getCount()方法可见。

我们也可以简单的使用下图来表示这个互斥的逻辑。

【高并发】如何使用互斥锁解决多线程的原子性问题?这次终于明白了!

修改测试用例

我们将上面的测试代码稍作修改,将count的修改为静态变量,将incrementCount()方法修改为静态方法。此时的代码如下所示。

public class TestCount{
    private static long count = 0L;
    public synchronized long getCount(){
        return count;
    }
    public synchronized static void incrementCount(){
        count += 1;
    }
}           

那么,问题来了,getCount()方法和incrementCount()方法是否存在并发问题呢?

接下来,我们一起分析下这段代码:其实这段代码中是在用两个不同的锁来保护同一个资源count,两个锁分别为this对象和TestCount.class对象。也就是说,getCount()方法和incrementCount()方法获取的是两个不同的锁,二者的临界区没有互斥关系,incrementCount()方法对count变量的修改无法保证对getCount()方法的可见性。所以,修改后的代码会存在并发问题。

我们也可以使用下图来简单的表示这个逻辑。

【高并发】如何使用互斥锁解决多线程的原子性问题?这次终于明白了!

总结

保证多线程之间的互斥性。也就是说,在同一时刻只有一个线程在执行!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,都能保证多线程之间的原子性了。

注意:在Java中,也可以使用Lock锁来实现多线程之间的互斥,大家可以自行使用Lock锁实现。

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最后,附上并发编程需要掌握的核心技能知识图,祝大家在学习并发编程时,少走弯路。

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