quarkus依赖注入之九:bean读写锁

原创
2022/04/22 16:29
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本篇概览

  • 本篇是《quarkus依赖注入》的第九篇,目标是在轻松的气氛中学习一个小技能:bean锁
  • quarkus的bean锁本身很简单:用两个注解修饰bean和方法即可,但涉及到多线程同步问题,欣宸愿意花更多篇幅与各位Java程序员一起畅谈多线程,聊个痛快,本篇由以下内容组成
  1. 关于多线程同步问题
  2. 代码复现多线程同步问题
  3. quarkus的bean读写锁

关于读写锁

  • java的并发包中有读写锁ReadWriteLock:在多线程场景中,如果某个对象处于改变状态,可以用写锁加锁,这样所有做读操作对象的线程,在获取读锁时就会block住,直到写锁释放
  • 为了演示bean锁的效果,咱们先来看一个经典的多线程同步问题,如下图,余额100,充值10块,扣费5块,正常情况下最终余额应该是105,但如果充值和扣费是在两个线程同时进行,而且各算各的,再分别用自己的计算结果去覆盖余额,最终会导致计算不准确
流程图 (2)

代码复现多线程同步问题

  • 咱们用代码来复现上图中的问题,AccountBalanceService是个账号服务类,其成员变量accountBalance表示余额,另外有三个方法,功能分别是:
  1. get:返回余额,相当于查询余额服务
  2. deposit:充值,入参是充值金额,方法内将余额放入临时变量,然后等待100毫秒模拟耗时操作,再将临时变量与入参的和写入成员变量accountBalance
  3. deduct:扣费,入参是扣费金额,方法内将余额放入临时变量,然后等待100毫秒模拟耗时操作,再将临时变量与入参的差写入成员变量accountBalance
  • AccountBalanceService.java源码如下,deposit和deduct这两个方法各算各的,丝毫没有考虑当时其他线程对accountBalance的影响
package com.bolingcavalry.service.impl;

import io.quarkus.logging.Log;
import javax.enterprise.context.ApplicationScoped;

@ApplicationScoped
public class AccountBalanceService {

    // 账户余额,假设初始值为100
    int accountBalance = 100;

    /**
     * 查询余额
     * @return
     */
    public int get() {
        // 模拟耗时的操作
        try {
            Thread.sleep(80);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return accountBalance;
    }

    /**
     * 模拟了一次充值操作,
     * 将账号余额读取到本地变量,
     * 经过一秒钟的计算后,将计算结果写入账号余额,
     * 这一秒内,如果账号余额发生了变化,就会被此方法的本地变量覆盖,
     * 因此,多线程的时候,如果其他线程修改了余额,那么这里就会覆盖掉,导致多线程同步问题,
     * AccountBalanceService类使用了Lock注解后,执行此方法时,其他线程执行AccountBalanceService的方法时就会block住,避免了多线程同步问题
     * @param value
     * @throws InterruptedException
     */
    public void deposit(int value) {
        // 先将accountBalance的值存入tempValue变量
        int tempValue  = accountBalance;
        Log.infov("start deposit, balance [{0}], deposit value [{1}]", tempValue, value);

        // 模拟耗时的操作
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        tempValue += value;

        // 用tempValue的值覆盖accountBalance,
        // 这个tempValue的值是基于100毫秒前的accountBalance计算出来的,
        // 如果这100毫秒期间其他线程修改了accountBalance,就会导致accountBalance不准确的问题
        // 例如最初有100块,这里存了10块,所以余额变成了110,
        // 但是这期间如果另一线程取了5块,那余额应该是100-5+10=105,但是这里并没有靠拢100-5,而是很暴力的将110写入到accountBalance
        accountBalance = tempValue;

        Log.infov("end deposit, balance [{0}]", tempValue);
    }

    /**
     * 模拟了一次扣费操作,
     * 将账号余额读取到本地变量,
     * 经过一秒钟的计算后,将计算结果写入账号余额,
     * 这一秒内,如果账号余额发生了变化,就会被此方法的本地变量覆盖,
     * 因此,多线程的时候,如果其他线程修改了余额,那么这里就会覆盖掉,导致多线程同步问题,
     * AccountBalanceService类使用了Lock注解后,执行此方法时,其他线程执行AccountBalanceService的方法时就会block住,避免了多线程同步问题
     * @param value
     * @throws InterruptedException
     */
    public void deduct(int value) {
        // 先将accountBalance的值存入tempValue变量
        int tempValue  = accountBalance;
        Log.infov("start deduct, balance [{0}], deposit value [{1}]", tempValue, value);

        // 模拟耗时的操作
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        tempValue -= value;

        // 用tempValue的值覆盖accountBalance,
        // 这个tempValue的值是基于100毫秒前的accountBalance计算出来的,
        // 如果这100毫秒期间其他线程修改了accountBalance,就会导致accountBalance不准确的问题
        // 例如最初有100块,这里存了10块,所以余额变成了110,
        // 但是这期间如果另一线程取了5块,那余额应该是100-5+10=105,但是这里并没有靠拢100-5,而是很暴力的将110写入到accountBalance
        accountBalance = tempValue;

        Log.infov("end deduct, balance [{0}]", tempValue);
    }
}
  • 接下来是单元测试类LockTest.java,有几处需要注意的地方稍后会说明
package com.bolingcavalry;

import com.bolingcavalry.service.impl.AccountBalanceService;
import io.quarkus.logging.Log;
import io.quarkus.test.junit.QuarkusTest;
import org.junit.jupiter.api.Assertions;
import org.junit.jupiter.api.Test;

import javax.inject.Inject;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;

@QuarkusTest
public class LockTest {

    @Inject
    AccountBalanceService account;

    @Test
    public void test() throws InterruptedException {
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);
        int initValue = account.get();

        final int COUNT = 10;

        // 这是个只负责读取的线程,循环读10次,每读一次就等待50毫秒
        new Thread(() -> {

            for (int i=0;i<COUNT;i++) {
                // 读取账号余额
                Log.infov("current balance {0}", account.get());
            }

            latch.countDown();
        }).start();

        // 这是个充值的线程,循环充10次,每次存2元
        new Thread(() -> {
            for (int i=0;i<COUNT;i++) {
                account.deposit(2);
            }
            latch.countDown();
        }).start();

        // 这是个扣费的线程,循环扣10次,每取1元
        new Thread(() -> {
            for (int i=0;i<COUNT;i++) {
                account.deduct(1);
            }
            latch.countDown();
        }).start();

        latch.await();

        int finalValue = account.get();
        Log.infov("finally, current balance {0}", finalValue);
        Assertions.assertEquals(initValue + COUNT, finalValue);
    }
}
  • 上述代码中,有以下几点需要注意
  1. 在主线程中新增了三个子线程,分别执行查询、充值、扣费的操作,可见deposit和deduct方法是并行执行的
  2. 初始余额100,充值一共20元,扣费一共10元,因此最终正确结果应该是110元
  3. 为了确保三个子线程全部执行完毕后主线程才退出,这里用了CountDownLatch,在执行latch.await()的时候主线程就开始等待了,等到三个子线程把各自的latch.await()都执行后,主线程才会继续执行
  4. 最终会检查余额是否等于110,如果不是则单元测试不通过
  • 执行单元测试,结果如下图,果然失败了
image-20220417105801982
  • 来分析测试过程中的日志,有助于我们理解问题的原因,如下图,充值和扣费同时开始,充值先完成,此时余额是102,但是扣费无视102,依旧使用100作为余额去扣费,然后将扣费结果99写入余额,导致余额与正确的逻辑产生差距

16

  • 反复运行上述单元测试,可以发现每次得到的结果都不一样,这算是典型的多线程同步问题了吧…
  • 看到这里,经验丰富的您应该想到了多种解决方式,例如下面这五种都可以:
  1. 用传统的synchronized关键字修饰三个方法
  2. java包的读写锁
  3. deposit和deduct方法内部,不要使用临时变量tempValue,将余额的类型从int改成AtomicInteger,再使用addAndGet方法计算并设置
  4. 用MySQL的乐观锁
  5. 用Redis的分布式锁
  • 没错,上述方法都能解决问题,现在除了这些,quarku还从bean的维度为我们提供了一种新的方法:bean读写锁,接下来细看这个bean读写锁

Container-managed Concurrency:quarkus基于bean的读写锁方案

  • quarkus为bean提供了读写锁方案:Lock注解,借助它,可以为bean的所有方法添加同一把写锁,再手动将读锁添加到指定的读方法,这样在多线程操作的场景下,也能保证数据的正确性
  • 来看看Lock注解源码,很简单的几个属性,要重点注意的是:默认属性为Type.WRITE,也就是写锁,被Lock修饰后,锁类型有三种选择:读锁,写锁,无锁
@InterceptorBinding
@Inherited
@Target(value = { TYPE, METHOD })
@Retention(value = RUNTIME)
public @interface Lock {

    /**
     * 
     * @return the type of the lock
     */
    @Nonbinding
    Type value() default Type.WRITE;

    /**
     * If it's not possible to acquire the lock in the given time a {@link LockException} is thrown.
     * 
     * @see java.util.concurrent.locks.Lock#tryLock(long, TimeUnit)
     * @return the wait time
     */
    @Nonbinding
    long time() default -1l;

    /**
     * 
     * @return the wait time unit
     */
    @Nonbinding
    TimeUnit unit() default TimeUnit.MILLISECONDS;

    public enum Type {
        /**
         * Acquires the read lock before the business method is invoked.
         */
        READ,
        /**
         * Acquires the write (exclusive) lock before the business method is invoked.
         */
        WRITE,
        /**
         * Acquires no lock.
         * <p>
         * This could be useful if you need to override the behavior defined by a class-level interceptor binding.
         */
        NONE
    }

}
  • 接下来看看如何用bean锁解AccountBalanceService的多线程同步问题

  • 为bean设置读写锁很简单,如下图红框1,给类添加Lock注解后,AccountBalanceService的每个方法都默认添加了写锁,如果想修改某个方法的锁类型,可以像红框2那样指定,Lock.Type.READ表示将get方法改为读锁,如果不想给方法上任何锁,就使用Lock.Type.NONE

image-20220417113205821
  • 这里预测一下修改后的效果
  1. 在deposit和deduct都没有被调用时,get方法可以被调用,而且可以多线程同时调用,因为每个线程都能顺利拿到读锁
  2. 一旦deposit或者deduct被调用,其他线程在调用deposit、deduct、get方法时都被阻塞了,因为此刻不论读锁还是写锁都拿不到,必须等deposit执行完毕,它们才重新去抢锁
  3. 有了上述逻辑,再也不会出现deposit和deduct同时修改余额的情况了,预测单元测试应该能通过
  4. 这种读写锁的方法虽然可以确保逻辑正确,但是代价不小(一个线程执行,其他线程等待),所以在并发性能要求较高的场景下要慎用,可以考虑乐观锁、AtomicInteger这些方式来降低等待代价
  • 再次运行单元测试,如下图,测试通过
image-20220417120035378
  • 再来看看测试过程中的日志,如下图,之前的几个方法同时执行的情况已经消失了,每个方法在执行的时候,其他线程都在等待

image-20220417120428928

  • 至此,bean锁知识点学习完毕,希望本篇能给您一些参考,为您的并发编程中添加新的方案

源码下载

  • 本篇实战的完整源码可在GitHub下载到,地址和链接信息如下表所示(https://github.com/zq2599/blog_demos)
名称 链接 备注
项目主页 https://github.com/zq2599/blog_demos 该项目在GitHub上的主页
git仓库地址(https) https://github.com/zq2599/blog_demos.git 该项目源码的仓库地址,https协议
git仓库地址(ssh) git@github.com:zq2599/blog_demos.git 该项目源码的仓库地址,ssh协议
  • 这个git项目中有多个文件夹,本次实战的源码在quarkus-tutorials文件夹下,如下图红框
    image-20220312091203116
  • quarkus-tutorials是个父工程,里面有多个module,本篇实战的module是basic-di,如下图红框
    image-20220312091404031

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