摘要:在编写多线程并发程序时,我明明对共享资源加锁了啊?为什么还是出问题呢?问题到底出在哪里呢?其实,我想说的是:你的加锁姿势正确吗?
本文分享自华为云社区《【高并发】高并发环境下诡异的加锁问题(你加的锁未必安全)》,作者:冰 河。
我们知道在并发编程中,不能使用多把锁保护同一个资源,因为这样达不到线程互斥的效果,存在线程安全的问题。相反,却可以使用同一把锁保护多个资源。那么,如何使用同一把锁保护多个资源呢?又如何判断我们对程序加的锁到底是不是安全的呢?我们就一起来深入探讨这些问题!
分析场景
我们在分析多线程中如何使用同一把锁保护多个资源时,可以将其结合具体的业务场景来看,比如:需要保护的多个资源之间有没有直接的业务关系。如果需要保护的资源之间没有直接的业务关系,那么如何对其加锁;如果有直接的业务关系,那么如何对其加锁?接下来,我们就顺着这两个方向进行深入说明。
没有直接业务关系的场景
例如,我们的支付宝账户,有针对余额的付款操作,也有针对账户密码的修改操作。本质上,这两种操作之间没有直接的业务关系,此时,我们可以为账户的余额和账户密码分配不同的锁来解决并发问题。
例如,在支付宝账户AlipayAccount类中,有两个成员变量,分别是账户的余额balance和账户的密码password。付款操作的pay()方法和查看余额操作的getBalance()方法会访问账户中的成员变量balance,对此,我们可以创建一个balanceLock锁对象来保护balance资源;另外,更改密码操作的updatePassword()方法和查看密码的getPassowrd()方法会访问账户中的成员变量password,对此,我们可以创建一个passwordLock锁对象来保护password资源。
具体的代码如下所示。
public class AlipayAccount{
//保护balance资源的锁对象
private final Object balanceLock = new Object();
//保护password资源的锁对象
private final Object passwordLock = new Object();
//账户余额
private Integer balance;
//账户的密码
private String password;
//支付方法
public void pay(Integer money){
synchronized(balanceLock){
if(this.balance >= money){
this.balance -= money;
}
}
}
//查看账户中的余额
public Integer getBalance(){
synchronized(balanceLock){
return this.balance;
}
}
//修改账户的密码
public void updatePassword(String password){
synchronized(passwordLock){
this.password = password;
}
}
//查看账户的密码
public String getPassword(){
synchronized(passwordLock){
return this.password;
}
}
}
这里,我们也可以使用一把互斥锁来保护balance资源和password资源,例如都使用balanceLock锁对象,也可以都使用passwordLock锁对象,甚至也都可以使用this对象或者干脆每个方法前加一个synchronized关键字。
但是,如果都使用同一个锁对象的话,那么,程序的性能就太差了。会导致没有直接业务关系的各种操作都串行执行,这就违背了我们并发编程的初衷。实际上,我们使用两个锁对象分别保护balance资源和password资源,付款和修改账户密码是可以并行的。
存在直接业务关系的场景
例如,我们使用支付宝进行转账操作。假设账户A给账户B转账100,A账户减少100元,B账户增加100元。两个账户在业务中有直接的业务关系。例如,下面的TansferAccount类,有一个成员变量balance和一个转账的方法transfer(),代码如下所示。
public class TansferAccount{
private Integer balance;
public void transfer(TansferAccount target, Integer transferMoney){
if(this.balance >= transferMoney){
this.balance -= transferMoney;
target.balance += transferMoney;
}
}
}
在上面的代码中,如何保证转账操作不会出现并发问题呢?很多时候我们的第一反应就是给transfer()方法加锁,如下代码所示。
public class TansferAccount{
private Integer balance;
public synchronized void transfer(TansferAccount target, Integer transferMoney){
if(this.balance >= transferMoney){
this.balance -= transferMoney;
target.balance += transferMoney;
}
}
}
我们仔细分析下,上面的代码真的是安全的吗?!其实,在这段代码中,synchronized临界区中存在两个不同的资源,分别是转出账户的余额this.balance和转入账户的余额target.balance,这里只用到了一把锁synchronized(this)。说到这里,大家有没有一种豁然开朗的感觉。没错,问题就出现在synchronized(this)这把锁上,这把锁只能保护this.balance资源,而无法保护target.balance资源。
我们可以使用下图来表示这个逻辑。
从上图我们也可以发现,this锁对象只能保护this.balance资源,而不能保护target.balance资源。
接下来,我们再看一个场景:假设存在A、B、C三个账户,余额都是200,此时我们使用两个线程分别执行两个转账操作:账户A给账户B转账100,账户B给账户C转账100。理论上,账户A的余额为100,账户B的余额为200,账户C的余额为300。
真的是这样吗?我们假设线程A和线程B同时在两个不同的CPU上执行,线程A执行账户A给账户B转账100的操作,线程B执行账户B给账户C转账100的操作。两个线程之间是互斥的吗?显然不是,按照TansferAccount的代码来看,线程A锁定的是账户A的实例,线程B锁定的是账户B的实例。所以,线程A和线程B能够同时进入transfer()方法。此时,线程A和线程B都能够读取到账户B的余额为200。两个线程都完成转账操作后,B的账户余额可能为300,也可能为100,但是不可能为200。
这是为什么呢?线程A和线程B同时读取到账户B的余额为200,如果线程A的转账操作晚于线程B的转账操作对balance的写入,则账户B的余额为300;如果线程A的转账操作早于线程B的转账操作对balance的写入,则账户B的余额为100。无论如何账户B的余额都不会是200。
综上所示,TansferAccount的代码根本无法解决并发问题!
正确的加锁
如果我们希望对转账操作中涉及的多个资源加锁,那我们的锁就必须要覆盖所有需要保护的资源。
在前面的TansferAccount类中,this是对象级别的锁,这就导致了线程A和线程B执行过程中所获取到的锁是不同的,那么如何让两个线程共享同一把锁呢?!
其中,方案有很多,一种简单的方式,就是在TansferAccount类的构造方法中传入一个balanceLock锁对象,以后在创建TansferAccount类对象的时候,每次传入相同的balanceLock锁对象,并在transfer方法中使用balanceLock锁对象加锁即可。这样,所有创建的TansferAccount类对象就会共享balanceLock锁。代码如下所示。
public class TansferAccount{
private Integer balance;
private Object balanceLock;
private TansferAccount(){}
public TansferAccount(Object balanceLock){
this.balanceLock = balanceLock;
}
public void transfer(TansferAccount target, Integer transferMoney){
synchronized(this.balanceLock){
if(this.balance >= transferMoney){
this.balance -= transferMoney;
target.balance += transferMoney;
}
}
}
}
那么,问题又来了:这样解决问题真的完美吗?!
上述代码虽然解决了转账操作的并发问题,但是它真的就完美了吗?!仔细分析后,我们发现,并不是想象中的那么完美。因为它要求创建TansferAccount对象的时候,必须传入同一个balanceLock对象,如果传入的不是同一个balanceLock对象,就不能保证并发带来的线程安全问题了!在实际的项目中,创建TansferAccount对象的操作可能被分散在多个不同的项目工程中,这样很难保证传入的balanceLock对象是同一个对象。
所以,在创建TansferAccount对象时传入同一个balanceLock锁对象的方案,虽然能够解决转账的并发问题,但是却无法在实际项目中被有效的采用!
还有没有其他的方案呢?答案是有!别忘了JVM在加锁类的时候,会为类创建一个Class对象,而这个Class对象对于类的实例对象来说是共享的,也就是说,无论创建多少个类的实例对象,这个Class对象都是同一个,这是由JVM来保证的。
说到这里,我们就能够想到使用如下方式对转账操作加锁。
public class TansferAccount{
private Integer balance;
public void transfer(TansferAccount target, Integer transferMoney){
synchronized(TansferAccount.class){
if(this.balance >= transferMoney){
this.balance -= transferMoney;
target.balance += transferMoney;
}
}
}
}
我们可以使用下图表示这个逻辑。
这样,无论创建多少个TansferAccount对象,都会共享同一把锁,解决了转账的并发问题。