【漫画】JAVA并发编程 如何解决原子性问题

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知识回顾

锁模型

JAVA中的锁模型

锁是一种通用的技术方案，Java 语言提供的 synchronized 关键字，就是锁的一种实现。

• synchronized 是独占锁/排他锁（就是有你没我的意思），但是注意！synchronized并不能改变CPU时间片切换的特点，只是当其他线程要访问这个资源时，发现锁还未释放，所以只能在外面等待。
• synchronized一定能保证原子性，因为被 synchronized 修饰某段代码后，无论是单核 CPU 还是多核 CPU，只有一个线程能够执行该代码，所以一定能保证原子操作
• synchronized也能够保证可见性和有序性。根据前第二篇文章：Happens-Before 规则之管程中锁的规则：对一个锁的解锁 Happens-Before 于后续对这个锁的加锁。即前一个线程的解锁操作对后一个线程的加锁操作可见。综合 Happens-Before 的传递性原则，我们就能得出前一个线程在临界区修改的共享变量（该操作在解锁之前），对后续进入临界区（该操作在加锁之后）的线程是可见的。- synchronized 关键字可以用来修饰静态方法，非静态方法，也可以用来修饰代码块

理论说完了，来点实际的吧！首先我们用synchronized 修饰非静态方法来改写第一章中原子性问题的那段代码：

    private long count = 0;
    
    // 修饰非静态方法 当修饰非静态方法的时候，锁定的是当前实例对象 this。
    // 当该类中有多个普通方法被Synchronized修饰（同步），那么这些方法的锁都是这个类的一个对象this。多个线程访问这些方法时，如果这些线程调用方法时使用的是同一个该类的对象，虽然他们访问不同方法，但是他们使用同一个对象来调用，那么这些方法的锁就是一样的，就是这个对象，那么会造成阻塞。如果多个线程通过不同的对象来调用方法，那么他们的锁就是不一样的，不会造成阻塞。
    private synchronized void add10K(){
        int start = 0;
        while (start ++ < 10000){
            this.count ++;
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        TestSynchronized2 test = new TestSynchronized2();
        // 创建两个线程，执行 add() 操作
        Thread th1 = new Thread(()->{
            test.add10K();
        });
        Thread th2 = new Thread(()->{
            test.add10K();
        });
        // 启动两个线程
        th1.start();th2.start();
        // 等待两个线程执行结束
        th1.join();th2.join();
        System.out.println(test.count);
    }

运行一下吧！你会发现永远都可以达到我们想要的效果了~
除了上面代码中修饰非静态方法，还可以修饰静态方法和代码块

    // 修饰静态方法 当修饰静态方法的时候，锁定的是当前类的 Class 对象，即TestSynchronized2.class 。这个范围就比对象锁大。这里就算是不同对象，但是只要是该类的对象，就使用的是同一把锁。
    synchronized static void bar() {
        // 临界区
    }
    // 修饰代码块 java中经典的双重锁检查机制
    private volatile static TestSynchronized2 instance;
    public static TestSynchronized2 getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (TestSynchronized2.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new TestSynchronized2();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

明确锁和资源的关系

深入分析锁定的对象和受保护资源的关系，综合考虑受保护资源的访问路径，多方面考量才能用好互斥锁。受保护资源和锁之间的关联关系是 N:1 的关系。如果一个资源用N个锁，那肯定出问题的，就好像一个厕所坑位，你有10把钥匙，那不是可以10个人同时进了？

现在给出两段错误代码，想一想到底为啥错了吧？

    static long value1 = 0L;

    synchronized long get1() {
        return value1;
    }

    synchronized static void addOne1() {
        value1 += 1;
    }

    long value = 0L;

    long get() {
        synchronized (new Object()) {
            return value;
        }
    }

第一段错误原因：
因为我们说过synchronized修饰普通方法 锁定的是当前实例对象 this 而修饰静态方法 锁定的是当前类的 Class 对象
所以这里有两把锁 分别是 this 和 TestSynchronized3.class
由于临界区 get() 和 addOne() 是用两个锁保护的，因此这两个临界区没有互斥关系，临界区 addOne() 对 value 的修改对临界区 get() 也没有可见性保证，这就导致并发问题了。

第二段错误原因：
加锁本质就是在锁对象的对象头中写入当前线程id，但是synchronized (new Object())每次在内存中都是新对象，所以加锁无效。

问：刚刚的例子都是多个锁保护一个资源，这样百分百是不行的。那么一个锁保护多个资源，就一定可以了吗？

答：如果多个资源彼此之间是没有关联的，那可以用一个锁来保护。如果有关联的话，那是不行的。比如说银行转账操作，你给我转账，我账户多100，你账户少100，我不能用我的锁来保护你，就像现实生活中我的锁是不能保护你的财产的。

**划重点！**要区分多个资源是否有关联！但是一个锁保护多个没关联的资源，未免性能太差了哦，比如我听歌和玩游戏可以同时进行，你非得让我做完一个再做另一个，岂不是要双倍时间。所以即使一个锁可以保护多个没关联的资源，但是一般而已，会各自用不同的锁，能够提升性能。这种锁还有个名字，叫细粒度锁。

问：刚刚说到银行转账的案例，那么假如某天在某银行同时发生这样一个事，柜员小王需要完成A账户给B账户转账100元，柜员小李需要完成B账户给A账户转账100元，请问如何实现呢？

答：其实用两把锁就实现了，转出一把，转入另一把。只有当两者都成功时，才执行转账操作。

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Account a = new Account(200); //A的初始账户余额200
        Account b = new Account(300); //B的初始账户余额200
        Thread threadA = new Thread(()->{
            try {
                transfer(a,b,100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        Thread threadB = new Thread(()->{
            try {
                transfer(b,a,100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        threadA.start();
        threadB.start();
    }

    static void transfer(Account source,Account target, int amt) throws InterruptedException {
        synchronized (source) {
            log.info("持有锁{} 等待锁{}",source,target);
            synchronized (target) {
                if (source.getBalance() > amt) {
                    source.setBalance(source.getBalance() - amt);
                    target.setBalance(target.getBalance() + amt);
                }
            }
        }
    }

至此，恭喜你，一波问题解决了，可是遗憾的告诉你：又导致了另一个bug。这段代码是有可能发生死锁的！并发编程中要注意的东西可真是多哟。咱们先把死锁这个名词记住！持续关注【胖滚猪学编程】在我们后面的文章中找答案！

如何保证原子性

现在我们已经知道互斥锁可以保证原子性，也知道了如何使用synchronized来保证原子性。但synchronized 并不是JAVA中唯一能保证原子性的方案。

如果你粗略的看一下J.U.C(java.util.concurrent包)，那么你可以很显眼的发现它俩：

一个是lock包，一个是atomic包，只要你英语过了四级。。我相信你都可以马上断定，它们可以解决原子性问题。

由于这两个包比较重要，所以会放在后面的模块单独说，持续关注【胖滚猪学编程】

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