互斥锁(上):解决原子性问题

原子性问题的源头是线程切换,操作系统做线程切换是依赖 CPU 中断的,所以禁止 CPU 发生中断就能够禁止线程切换。

在早期单核 CPU 时代,这个方案的确是可行的,而且也有很多应用案例,但是并不适合多核场景。

这里我们以 32 位 CPU 上执行 long 型变量的写操作为例来说明这个问题,long 型变量是 64 位,在 32 位 CPU 上执行写操作会被拆分成两次写操作

在单核 CPU 场景下,同一时刻只有一个线程执行,禁止 CPU 中断,意味着操作系统不会重新调度线程,也就是禁止了线程切换,获得 CPU 使用权的线程就可以不间断地执行,所以两次写操作一定是:要么都被执行,要么都没有被执行,具有原子性。
 
但是在多核场景下,同一时刻,有可能有两个线程同时在执行,一个线程执行在 CPU-1 上,一个线程执行在 CPU-2 上,此时禁止 CPU 中断,只能保证 CPU 上的线程连续执行,并不能保证同一时刻只有一个线程执行,如果这两个线程同时写 long 型变量高 32 位的话,那就有可能出现 Bug 了。

互斥的条件是:同一时刻只有一个线程执行。
临界区:需要互斥执行的代码。
  线程在进入临界区之前,首先尝试加锁 lock(),如果成功,则进入临界区,此时我们称这个线程持有锁;否则呢就等待,直到持有锁的线程解锁;持有锁的线程执行完临界区的代码后,执行解锁 unlock()。
 
Java 语言提供的锁技术:synchronized
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。例如
 1 class X {
2 // 修饰非静态方法
3 synchronized void foo() {
4 // 临界区
5 }
6 // 修饰静态方法
7 synchronized static void bar() {
8 // 临界区
9 }
10 // 修饰代码块
11 Object obj = new Object();
12 void method() {
13 synchronized(obj) {
14 // 临界区
15 }
16 }
17 }

可能你会奇怪,加锁 lock() 和解锁 unlock() 在哪里呢?其实这两个操作都是有的,只是这两个操作是被 Java 默默加上的,Java 编译器会在 synchronized 修饰的方法或代码块前后自动加上加锁 lock() 和解锁 unlock(),这样做的好处就是加锁 lock() 和解锁 unlock() 一定是成对出现的,毕竟忘记解锁 unlock() 可是个致命的 Bug(意味着其他线程只能死等下去了)。

当修饰静态方法的时候,锁定的是当前类的 Class 对象,在上面的例子中就是 Class X;

当修饰非静态方法的时候,锁定的是当前实例对象 this。

锁和受保护资源的关系

:受保护资源和锁之间的关联关系是 N:1 的关系。
受保护资源和锁之间的关联关系是 N:1 的关系。
 
现实世界里,我们可以用多把锁来保护同一个资源,但在并发领域是不行的,并发领域的锁和现实世界的锁不是完全匹配的。不过倒是可以用同一把锁来保护多个资源
 
总结
互斥锁,在并发领域的知名度极高,只要有了并发问题,大家首先容易想到的就是加锁,因为大家都知道,加锁能够保证执行临界区代码的互斥性。这样理解虽然正确,但是却不能够指导你真正用好互斥锁。
必须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。
锁,一定有一个要锁定的对象,至于这个锁定的对象要保护的资源以及在哪里加锁 / 解锁,就属于设计层面的事情了。
 
摘自极客时间王宝令老师的课程

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