代码加锁的常见问题

2021-05-16 本文已影响0人 silence_J

一、业务逻辑中的并发问题

1. 示例

当存在 一个类中 的 两个方法 同时被 多个线程 执行操作 共享资源 时，需要考虑加锁。
示例如下：

public class LockTest_1 {

    private static final Logger log = LoggerFactory.getLogger(LockTest_1.class);

    volatile int a = 1;
    volatile int b = 1;

    public void add() {
        log.info("add start");
        for (int i = 0; i < 10_0000; i++) {
            a++;
            b++;
        }
        log.info("add end");
    }

    public void compare() {
        log.info("compare start");
        for (int i = 0; i < 10_0000; i++) {
            // a 始终等于 b 吗？
            // 比较操作不是原子性的，在字节码层面是会先加载 a 再加载 b 后进行比对大小
            // 当加载完a后，到b被加载时 这之间 b可能被add()又++了多次，出现了a < b的情况
            if (a < b) {
                log.info("a:{},b:{},{}", a, b, a > b);
                // 最后的 a > b 始终是 false 吗?
            }
        }
        log.info("compare start");
    }

    public static void main(String[] args) {
        LockTest_1 lockTest_1 = new LockTest_1();
        new Thread(() -> lockTest_1.add()).start();
        new Thread(() -> lockTest_1.compare()).start();
    }

}

输出结果：

2021-05-01 18:31:54.688 [INFO ] [Thread-1] [c.j.test.locktest.LockTest_1  ] compare start
2021-05-01 18:31:54.688 [INFO ] [Thread-0] [c.j.test.locktest.LockTest_1  ] add start
2021-05-01 18:31:54.695 [INFO ] [Thread-1] [c.j.test.locktest.LockTest_1  ] a:390,b:1025,false
2021-05-01 18:31:54.698 [INFO ] [Thread-1] [c.j.test.locktest.LockTest_1  ] a:52277,b:52294,true
2021-05-01 18:31:54.698 [INFO ] [Thread-1] [c.j.test.locktest.LockTest_1  ] a:56056,b:56061,false
2021-05-01 18:31:54.699 [INFO ] [Thread-1] [c.j.test.locktest.LockTest_1  ] a:62865,b:62870,false
2021-05-01 18:31:54.699 [INFO ] [Thread-1] [c.j.test.locktest.LockTest_1  ] a:64628,b:64634,true
2021-05-01 18:31:54.699 [INFO ] [Thread-1] [c.j.test.locktest.LockTest_1  ] a:71524,b:71535,false
2021-05-01 18:31:54.699 [INFO ] [Thread-1] [c.j.test.locktest.LockTest_1  ] a:78008,b:78017,false
2021-05-01 18:31:54.699 [INFO ] [Thread-1] [c.j.test.locktest.LockTest_1  ] a:83293,b:83298,true
2021-05-01 18:31:54.699 [INFO ] [Thread-1] [c.j.test.locktest.LockTest_1  ] a:87629,b:87643,true
2021-05-01 18:31:54.699 [INFO ] [Thread-1] [c.j.test.locktest.LockTest_1  ] a:93140,b:93151,true
2021-05-01 18:31:54.699 [INFO ] [Thread-0] [c.j.test.locktest.LockTest_1  ] add end
2021-05-01 18:31:54.700 [INFO ] [Thread-1] [c.j.test.locktest.LockTest_1  ] compare start

如上示例，若不加锁，两个线程同时执行 add 和 compare 方法，则 compare 会在 add 方法对 a 和 b 进行++操作时执行，并且 compare 中的比较操作也不是原子性的，底层（字节码）会先加载 a 再加载 b 最后进行比较，而 a 加载完到 b 加载这段时间，b 已经加到比 a 大了。

解决办法是两个方法都加上 synchronized，即不让两个方法同时被执行。

只对add方法加锁是没用的，因为一个类中的同步方法与非同步方法可以同时执行。

2. 指令重排

为什么 a > b ？
这是因为CPU有指令重排的机制。
指令重排序是指编译器或处理器为了优化性能而采取的一种手段，在不存在数据依赖性情况下（如写后读，读后写，写后写），调整代码执行顺序。
也就是说上面代码中，a++,b++的执行顺序可能被打乱（a、b间不存在依赖关系）

二、加锁前要清楚锁和被保护的对象是不是一个层面的

1. 示例

锁的位置加对了之后还要理清锁和要保护的对象是否是一个层面的

非静态同步方法是锁定类的实例的，而静态同步方法是锁定类的

示例如下:

public class LockTest_2 {

    public static void main(String[] args) {

        // 测试1. 多线程循环一定次数 调用Data类不同实例的add方法
        IntStream.rangeClosed(1, 10_0000)
                .parallel() // 并行流转换
                .forEach(i -> new Data().add());

        System.out.println("new十万个Data对象调用add后: " + Data.getCounter());

        // 测试2. 多线程循环一定次数 调用Data1类不同实例的add方法
        IntStream.rangeClosed(1, 10_0000)
                .parallel() // 并行流转换
                .forEach(i -> new Data1().add());

        System.out.println("new十万个Data1对象调用add后: " + Data1.getCounter());
        
        // 测试3. 多线程循环一定次数 调用Data2类不同实例的add方法
        IntStream.rangeClosed(1, 10_0000)
                .parallel() // 并行流转换
                .forEach(i -> new Data2().add());

        System.out.println("new十万个Data2对象调用add后: " + Data2.getCounter());
    }

}

class Data {

    private static int counter = 0;

    // 在非静态方法上加锁，锁定的是当前对象，
    // 这时多个对象还是共享静态变量counter，仍然有线程安全问题
    public synchronized void add() {
        counter++;
    }

    public static int getCounter() {
        return counter;
    }
}

class Data1 {

    private static int counter = 0;

    private static Object locker = new Object();

    // 对静态属性locker加锁,该类的所有实例锁定的对象都是同一个
    // 也就是该类的所有对象用的都是同一把锁
    public void add() {
        synchronized (locker) {
            counter++;
        }
    }

    public static int getCounter() {
        return counter;
    }
}

class Data2 {
    private static int counter = 0;

    // 在该静态方法上加synchronized,锁定的是class,所有实例的class都是相同的
    public synchronized static void add() {
        counter++;
    }

    public static int getCounter() {
        return counter;
    }
}

运行结果:

new十万个Data对象调用add后: 33260
new十万个Data1对象调用add后: 100000
new十万个Data2对象调用add后: 100000

测试1中，在add方法上加synchronized，锁定的是this当前实例，而add方法操作的counter静态属性是所有实例共享的。也就是说当有其他线程创建了实例后也能直接获取当前实例的锁，操作counter。这样其实add方法没有被同步，输出的肯定小于十万。

测试2中，对静态属性locker加锁，也就是该类的所有对象用的都是同一把锁。就算有多个实例调用add，同一时间也只有一个实例能拿到锁，这样就实现了同步。

测试3中，把add方法变为static方法，锁定的是class，所有实例的class都是相同的，也能有同样效果。不过这样就改变了原有的代码结构，不建议这么做。

2. 代码块级别的 synchronized 和方法上标记 synchronized 关键字，在实现上有什么区别？

他们的底层实现其实都一样，在进入同步代码之前先获取锁，获取到锁之后锁的计数器+1，同步代码执行完锁的计数器-1，如果获取失败就阻塞式等待锁的释放。
只是他们在同步块识别方式上有所不一样，从class字节码文件可以表现出来，一个是通过方法flags标志，一个是monitorenter和monitorexit指令操作。

class目录下执行 javap -c -s -v -l class名查看字节码信息
同步方法是：flags里面多了一个ACC_SYNCHRONIZED标志，这标志用来告诉JVM这是一个同步方法，在进入该方法之前先获取相应的锁，锁的计数器加1，方法结束后计数器-1，如果获取失败就阻塞住，直到该锁被释放。
如图：

同步方法.png

同步块是：由 monitorenter 指令进入，然后 monitorexit 释放锁，在执行 monitorenter 之前需要尝试获取锁，如果这个对象没有被锁定，或者当前线程已经拥有了这个对象的锁，那么就把锁的计数器加1。当执行 monitorexit 指令时，锁的计数器也会减1。当获取锁失败时会被阻塞，一直等待锁被释放。
如图：

同步块.png

两者的本质都是对对象监视器 monitor 的获取。

详情参考：https://cloud.tencent.com/developer/article/1465413

三、synchronized

synchronized是并发编程中最常用的锁，JDK1.6以前，synchronized的底层实现是重量级的，需要找操作系统去申请锁，这会造成synchronized效率非常低。
JDK1.6开始，官方对其进行JVM层面的优化，引入了偏向锁，自旋锁，重量级锁，来减少竞争带来的上下文切换。有了锁升级的概念。

1. 锁升级

当使用synchronized的时候，HotSpot的实现是这样的：

• 第一个线程访问某把锁时，如sync(object),先在object的对象头上面的Mark Word记录这个线程。（如果只有一个线程访问时，其实没有给这个object加锁，内部实现时只是记录这个线程ID，ID相同可直接执行）偏向锁

• 偏向锁如果有其他线程参与竞争，就会升级为自旋锁（轻量级锁），这时其他线程并不会回到cpu的就绪队列中，而是就在那等着占用cpu，自旋访问10次没有获得锁后，锁会再次升级。自旋操作使用CAS将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针。

• 自旋失败，大概率再次自旋也是失败，因此直接升级成重量级锁，进行线程阻塞，减少cpu消耗。当锁升级为重量级锁后，未抢到锁的线程都会被阻塞，进入阻塞队列。

2. Mark Word

Java对象头中的 Mark Word 部分存储自身的运行时数据，例如 HashCode、GC 年龄、锁相关信息等内容。
它里面存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。
在64位虚拟机下，Mark Word是64bit大小的，其存储结构如下所示：

锁状态	25bit	31bit	1bit	4bit	1bit	2bit
			cms_free	分代年龄	偏向锁	锁标志位
无锁		hashCode			0	01
偏向锁	ThreadID(54bit) Epoch(2bit)				1	01
轻量级锁	指向栈中锁记录的指针					00
重量级锁	指向重量级锁的指针					10
GC标记	空					11

3. 监视器（Monitor）

每一个锁都对应一个monitor对象，在HotSpot虚拟机中它是由ObjectMonitor实现的（C++实现）。
每个对象都存在着一个monitor与之关联，对象与其monitor之间的关系有存在多种实现方式，如monitor可以与对象一起创建销毁或当线程试图获取对象锁时自动生成，但当一个monitor被某个线程持有后，它便处于锁定状态。
Synchronized在JVM里通过成对的MonitorEnter和MonitorExit指令来实现方法同步和代码块同步。
每一个Java对象自创建就带了一把看不见的锁，它叫做内部锁或者Monitor锁。
也就是通常说Synchronized的对象锁，MarkWord锁标识位为10，其中指针指向的是Monitor对象的起始地址。在HotSpot中，Monitor是由ObjectMonitor实现的。

4. 同步原理

见第三章第2节

四、加锁要考虑锁的粒度和场景问题

1. 示例

最简单的加锁方式就是在方法上添加 synchronized 关键字，但是也不能因为简单就把业务代码中的所有方法都加上synchronized，这样滥用 synchronized 是不可取的，会造成极大的性能问题。

即使确实有共享资源需要保护，也要尽可能降低锁的粒度，仅对必要的代码块甚至需要保护的资源本身加锁。

如下示例中，slow方法模拟不涉及线程安全的比较耗时的操作，正确的做法是不将slow方法同步，只同步存在线程安全问题的部分。

public class LockTest_3 {

    private static final Logger log = LoggerFactory.getLogger(LockTest_3.class);

    public static void main(String[] args) {

        LockTest_3 lockTest_3 = new LockTest_3();

        List<Integer> data = new ArrayList<>();

        Long begin = System.currentTimeMillis();
        // 多个线程执行500次
        IntStream.rangeClosed(1, 500).parallel().forEach(i -> {
            // synchronized (lockTest_3) 加在此处会大大增加执行时间
            lockTest_3.slowMethod();
            synchronized (lockTest_3) {
                data.add(i);
            }
        });
        log.info("took:{}, data.size:{}", System.currentTimeMillis() - begin, data.size());
    }

    private void slowMethod() {
        try {
            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(10);
        } catch (InterruptedException e) {
        }
    }
}

如果精细化考虑了锁应用范围后，性能还无法满足需求的话，就要考虑另一个维度的粒度问题了，即：区分读写场景以及资源的访问冲突，考虑使用悲观锁还是乐观锁。

对于读写比例差异明显的场景，考虑使用 ReentrantReadWriteLock 细化区分读写锁，来提高性能。

如果 JDK 版本高于 1.8、共享资源的冲突概率也没那么大的话，考虑使用 StampedLock 的乐观读的特性，进一步提高性能。

JDK 里 ReentrantLock 和 ReentrantReadWriteLock 都提供了公平锁的版本，在没有明确需求的情况下不要轻易开启公平锁特性，在任务很轻的情况下开启公平锁可能会让性能下降上百倍。（因为设置为公平锁，会先看等待队列中有没有线程，有的话会先进行入队操作，耗费性能）

2. ReentrantReadWriteLock

读锁是共享锁，写锁是排他锁
示例如下：

/**
 * 读写锁效率测试
 */
public class LockTest_ReadWriteLock {

    private static volatile int value = 1;

    static Lock lock = new ReentrantLock();

    static ReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
    static Lock readLock = readWriteLock.readLock();
    static Lock writeLock = readWriteLock.writeLock();

    // 模拟读操作
    public static void read(Lock lock) {
        try {
            lock.lock();
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            System.out.println("read over ! value: " + value);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    // 模拟写操作
    public static void write(Lock lock, int v) {
        try {
            lock.lock();
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            value = v;
            System.out.println("write over ! value: " + value);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    private static void run(Lock... lock) {
        // 起18个读线程
        IntStream.rangeClosed(1, 18)
                .forEach(i -> new Thread(() -> read(lock[0])).start());

        // 起2个写线程
        IntStream.rangeClosed(1, 2)
                .forEach(i -> new Thread(() -> write(lock[1], new Random().nextInt())).start());
    }

    public static void main(String[] args) {
        // ReentrantLock 测试
//        run(lock, lock);

        // ReentrantReadWriteLock 测试
        run(readLock, writeLock);
    }
}

五、多把锁要小心死锁问题

1. 示例

当一个业务逻辑涉及到多把锁时，容易产生死锁问题。

场景：下单操作需要锁定订单中多个商品的库存，拿到所有商品的锁之后进行下单扣减库存操作，全部操作完成之后释放所有的锁。
现象：下单失败概率很高，失败后需要用户重新下单，极大影响了用户体验，还影响到了销量。
问题：是死锁引起的问题，背后原因是扣减库存的顺序不同，导致并发的情况下多个线程可能相互持有部分商品的锁，又等待其他线程释放另一部分商品的锁，于是出现了死锁问题。

案例代码：
定义了商品类型 Item ，每种默认1000库存，初始化10个商品对象模拟商品列表 items。

createCart 模拟购物车，随机选3个商品。

createOrder 下单逻辑为：遍历购物车中的商品依次尝试获取商品锁，最长等待3秒。获得所有商品锁后再扣减库存，否则释放获得的所有锁，返回false下单失败。

最后模拟多线程执行50次下单操作，观察日志输出

public class OrderDemo {

    private static final Logger log = LoggerFactory.getLogger(OrderDemo.class);

    private static ConcurrentHashMap<String, Item> items = new ConcurrentHashMap<>();

    static {
        // 初始化10个商品
        IntStream.range(0, 10).forEach(i -> items.put("item" + i, new Item("item" + i)));
    }

    /**
     * 商品实体
     */
    static class Item {
        // 商品名
        final String name;

        // 剩余库存
        int remaining = 1000;

        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

        public Item(String name) {
            this.name = name;
        }

        public String getName() {
            return name;
        }

        @Override
        public String toString() {
            return "Item{" +
                    "name='" + name + '\'' +
                    ", remaining=" + remaining +
                    '}';
        }
    }

    /**
     * 创建购物车（从初始化的10个商品中随机选3个）
     */
    private static List<Item> createCart() {
        return IntStream.rangeClosed(1, 3)
                .mapToObj(i -> "item" + ThreadLocalRandom.current().nextInt(items.size()))
                .map(name -> items.get(name)).collect(Collectors.toList());
    }

    /**
     * 创建订单
     */
    private static boolean createOrder(List<Item> order) {

        // 存放所有获得的锁
        List<ReentrantLock> locks = new ArrayList<>();

        for (Item item : order) {
            try {
                // 获得锁3秒超时
                if (item.lock.tryLock(3, TimeUnit.SECONDS)) {
                    locks.add(item.lock);
                } else {
                    locks.forEach(ReentrantLock::unlock);
                    return false;
                }
            } catch (InterruptedException e) {

            }
        }

        // 锁全部拿到之后执行扣减库存业务逻辑
        try {
            order.forEach(item -> item.remaining--);
        } finally {
            locks.forEach(ReentrantLock::unlock);
        }
        return true;
    }

    /**
     * 错误下单操作
     */
    private static void errorOperation(){
        long begin = System.currentTimeMillis();

        // 并发进行50次下单操作，统计成功次数
        long success = IntStream.rangeClosed(1, 50).parallel()
                .mapToObj(i -> {
                    List<Item> cart = createCart();
                    return createOrder(cart);
                }).filter(result -> result)
                .count();

        log.info("success:{} totalRemaining:{} took:{}ms items:{}",
                success,
                items.entrySet().stream().map(item -> item.getValue().remaining).reduce(0, Integer::sum),
                System.currentTimeMillis() - begin,
                items);
    }

    /**
     * 正确下单操作
     */
    private static void rightOperation(){
        long begin = System.currentTimeMillis();

        // 并发进行50次下单操作，统计成功次数
        long success = IntStream.rangeClosed(1, 50).parallel()
                .mapToObj(i -> {
                    List<Item> cart = createCart().stream()
                            .sorted(Comparator.comparing(Item::getName))
                            .collect(Collectors.toList());
                    return createOrder(cart);
                }).filter(result -> result)
                .count();

        log.info("success:{} totalRemaining:{} took:{}ms items:{}",
                success,
                items.entrySet().stream().map(item -> item.getValue().remaining).reduce(0, Integer::sum),
                System.currentTimeMillis() - begin,
                items);
    }

    /**
     * 模拟下单操作
     */
    public static void main(String[] args) {

//        errorOperation();

        rightOperation();

    }

}

errorOperation执行结果：

[INFO ] [main] [c.j.test.locktest.OrderDemo   ] success:35 totalRemaining:9895 took:6022ms items:{item0=Item{name='item0', remaining=988}, item2=Item{name='item2', remaining=992}, item1=Item{name='item1', remaining=992}, item8=Item{name='item8', remaining=990}, item7=Item{name='item7', remaining=989}, item9=Item{name='item9', remaining=990}, item4=Item{name='item4', remaining=988}, item3=Item{name='item3', remaining=992}, item6=Item{name='item6', remaining=991}, item5=Item{name='item5', remaining=983}}

rightOperation执行结果：

[INFO ] [main] [c.j.test.locktest.OrderDemo   ] success:50 totalRemaining:9850 took:15ms items:{item0=Item{name='item0', remaining=989}, item2=Item{name='item2', remaining=983}, item1=Item{name='item1', remaining=986}, item8=Item{name='item8', remaining=984}, item7=Item{name='item7', remaining=985}, item9=Item{name='item9', remaining=987}, item4=Item{name='item4', remaining=990}, item3=Item{name='item3', remaining=982}, item6=Item{name='item6', remaining=980}, item5=Item{name='item5', remaining=984}}

错误操作会产生死锁问题。因为多个线程如果获取商品锁的顺序不统一，可能会互相持有对方购物车中的商品锁。

死锁.png

如何避免上述的死锁问题?
解决方法很简单，为购物车中的商品排序，让所有线程都是按照一定的顺序获取锁，就能避免死锁。

2. 关于下单与减库存的顺序问题

上面提到了下单的业务，那么实际开发中，一个事务中是先进行下单操作还是减库存操作呢？

答案是应该先进行下单操作。

以MySQL数据库为例，下单就是 insert 操作，insert 插入是行级锁，支持每秒 4W 的并发。而减库存是 update 操作，命中索引时也是行级锁，但是这是个独占锁，库存可能同时会有多个线程要操作，这时所有的操作都要等待前一个释放锁后才能继续 update。

下单减库存顺序.png

问题就在这里，根据MySQL两阶段锁协议，应该把热点操作放到离 commit 近的位置，这样可以减少行锁的持有时间，处理效率更好。

代码加锁的常见问题

一、业务逻辑中的并发问题

1. 示例

2. 指令重排

二、加锁前要清楚锁和被保护的对象是不是一个层面的

1. 示例

2. 代码块级别的 synchronized 和方法上标记 synchronized 关键字，在实现上有什么区别？

三、synchronized

1. 锁升级

2. Mark Word

3. 监视器（Monitor）

4. 同步原理

四、加锁要考虑锁的粒度和场景问题

1. 示例

2. ReentrantReadWriteLock

五、多把锁要小心死锁问题

1. 示例

2. 关于下单与减库存的顺序问题

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