并发设计⚡谈谈锁与资源

原创

写bug的高哈哈

发布于 2024-05-24 14:24:33

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发布于 2024-05-24 14:24:33

在写并发程序的时候，「锁」和「资源」是两个不同的东西，如果没有弄清楚，有时会出现锁不住，或是锁错资源的情况。

以生活化的例子来说，锁和资源它们俩就像是钥匙跟抽屉的对应关系。

有时候一个钥匙可以对应多个抽屉，有时候一个钥匙只能开一个抽屉，或者是多个钥匙开很多层才可以开一个抽屉。 虽然概念上看似很简单，但在实际的架构中或是程序语法里面不一定很容易地看出来。 身为工程师，当然是写Code 表达最清晰，接下来我用几段简单的 Java 代码来呈现这个概念 。

找找看锁在哪里？

举个例子：下面的 Java 代码定义了 TV 这个类，同时有 watchMovie 跟 playVideoGame 两个方法。并且在 watchMovie 和 playVideoGame 加上 synchronized 修饰字， 目的是为了让一台 TV 不能同时执行 watchMovie 以及 playVideoGame 。

这段代码，你看得出来那个部分是「资源」而哪个部分表示「锁」吗？(想想钥匙和抽屉的例子，哪里是抽屉？哪里是钥匙？)

public class TV {
    public  `synchronized ` void  watchMovie () throws InterruptedException {
        System.out.printin("watch movie"); //资源A
        Thread.sleep(5000);
    }

    public  `synchronized ` void  playVideoGame () throws InterruptedException {
        System.out.println("play video game"); //资源B
        Thread.sleep(5000);
    }
}

在我用注释的地方写著资源 A 和资源 B，分别表示 watch movie 以及 play video game 这两件事。 watch movie 以及 play video game 这两件事就是「资源」的部分。为了避免资源 A 和资源 B 被同时执行，我们需要一把锁，那么「锁」的位置又在哪呢？我们将上述的代码转换成下面的格式会更好理解：

public class TV {
    public void watchMovie () throws InterruptedException {
         `synchronized ` ( `this `) { //锁
            System.out.println("watch movie"); //资源A
            Thread.sleep(5000);
        }
    }

    public void  playVideoGame () throws InterruptedException {
         `synchronized ` ( `this `) { //锁
            System.out.println("play video game"); //资源B
            Thread.sleep(5000);
        }
    }
}

我们将 synchronized 从方法上移除，改为在方法内建立一个 synchronized 的区块，这两种写法意义上是一样的。而 synchronized 括号内的 this ，就表示进入这个区块前，要先取得的「锁」。其中，Java 的 this 是TV 类实例化后的值，也就是说资源 A 和资源 B 被同一把锁 (就是 this) 给锁住，以这种方式避免资源 A 和资源 B 被同时执行。锁的位置跟资源的位置，在上图中我用蓝色注释清楚地标示了出来。

我们还可以改写一下程序，更明显地把「锁」呈现出来，下图我用一个变数 lock 当作锁，来锁住资源 A 和资源 B：

public class TV {
    // 只有一把锁
    private final Object  `lock ` = new Object();

    public void watchMovie () throws InterruptedException {
         `synchronized ` ( `lock `) { //锁
            System.out.println("watch movie"); //资源 A
            Thread.sleep(5000);
        }
    }

    public void playVideoGame () throws InterruptedException {
         `synchronized ` ( `lock `) { //锁
            System.out.println("play video game"); //资源 B
            Thread.sleep(5000);
        }
    }
}

接下来我们来看执行的情况 (如下图)，当两个执行绪 t1 和 t2 同时执行的时候，因为 new TV( ) 时在类内部只会产生一个 lock 实例，所以只有一把锁，可以避免 t1 跟 t2 两个执行绪同时获得锁，达成同一时间只有一个资源被获取成功的效果。

        //tv 内部只有一个  `lock ` 实例
        final TV tv = new TV();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            try {
                tv.watchMovie ();//获取资源 A
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            try {
                tv.playVideoGame ();//获取资源 B
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();

锁和资源误用的情况

在明白了锁跟资源之间的独立关系后，还需要仔细的考虑锁和资源的对应问题：

假设刚才的程序，我们一不小心写成 new TV( ) 两次 (如下图)，产生了 tv1 和 tv2 ，这时候 tv1 内部有自己的 lock 实例，而 tv2 内部也有自己的 lock 实例，各自的锁用来锁自己的资源。两个 TV 实例可以各自执行 watch movie 以及 play video game，让 watch movie 以及 play video game 事件同时发生，但这并不一定是你想要的结果。

        final TV tv1 = new TV();
        final TV tv2 = new TV();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            try {
                tv1.watchMovie ();//tv1 有自己的 1ock 实例
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            try {
                tv2. playVideoGame ();//tv2 有自己的 1ock 实例
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();

总结

从上面的例子我们可以很清楚地知道：

在并发的程序里面，锁是锁，资源是资源，在系统设计时需要把两者分开思考。

像我们刚才举的例子，要在程序中找出隐晦的锁与资源对应关系 (例如： synchronized语法)，如果不小心弄出了两把锁 (new TV()两次产生两个 lock)，可能会出现不希望发生的情况。

这个锁与资源的观念是具体而微的，在微观上，一小段 Java 程序是这样呈现，在宏观上更复杂的系统架构，或甚至是分散式的环境下，也可以套用同样的道理。锁会有更多不同的属性 (共享锁、排他锁等等) 也会有不同的策略(悲观锁、乐观锁等等)，需要考虑锁之间兼容的问题，而对资源的操作也会更复杂，之后我会再分享更多的例子。但总体来说，概念是不变的，在并发程序中，我们应该细心地去分辨当下的锁在哪里以及资源在哪里，并且小心翼翼的 设计锁和资源的对应 。

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