併發程式設計中,你加的鎖未必安全

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摘要: 在編寫多執行緒併發程式時,我明明對共享資源加鎖了啊?為什麼還是出問題呢?問題到底出在哪裡呢?其實,我想說的是:你的加鎖姿勢正確嗎?

本文分享自華為雲社群《 【高併發】高併發環境下詭異的加鎖問題(你加的鎖未必安全) 》,作者:冰 河。

我們知道在併發程式設計中,不能使用多把鎖保護同一個資源,因為這樣達不到執行緒互斥的效果,存線上程安全的問題。相反,卻可以使用同一把鎖保護多個資源。那麼,如何使用同一把鎖保護多個資源呢?又如何判斷我們對程式加的鎖到底是不是安全的呢?我們就一起來深入探討這些問題!

分析場景

我們在分析多執行緒中如何使用同一把鎖保護多個資源時,可以將其結合具體的業務場景來看,比如:需要保護的多個資源之間有沒有直接的業務關係。如果需要保護的資源之間沒有直接的業務關係,那麼如何對其加鎖;如果有直接的業務關係,那麼如何對其加鎖?接下來,我們就順著這兩個方向進行深入說明。

沒有直接業務關係的場景

例如,我們的支付寶賬戶,有針對餘額的付款操作,也有針對賬戶密碼的修改操作。 本質上,這兩種操作之間沒有直接的業務關係,此時,我們可以為賬戶的餘額和賬戶密碼分配不同的鎖來解決併發問題。

例如,在支付寶賬戶AlipayAccount類中,有兩個成員變數,分別是賬戶的餘額balance和賬戶的密碼password。付款操作的pay()方法和檢視餘額操作的getBalance()方法會訪問賬戶中的成員變數balance,對此,我們可以建立一個balanceLock鎖物件來保護balance資源;另外,更改密碼操作的updatePassword()方法和檢視密碼的getPassowrd()方法會訪問賬戶中的成員變數password,對此,我們可以建立一個passwordLock鎖物件來保護password資源。

具體的程式碼如下所示。

public class AlipayAccount{
    //保護balance資源的鎖物件
    private final Object balanceLock = new Object();
    //保護password資源的鎖物件
    private final Object passwordLock = new Object();
    //賬戶餘額
    private Integer balance;
    //賬戶的密碼
    private String password;
 
    //支付方法
    public void pay(Integer money){
        synchronized(balanceLock){
            if(this.balance >= money){
                this.balance -= money;
            }
        }
    }
    //檢視賬戶中的餘額
    public Integer getBalance(){
        synchronized(balanceLock){
            return this.balance;
        }
    }
 
    //修改賬戶的密碼
    public void updatePassword(String password){
        synchronized(passwordLock){
            this.password = password;
        }
    }
 
    //檢視賬戶的密碼
    public String getPassword(){
        synchronized(passwordLock){
            return this.password;
        }
    }
}

這裡,我們也可以使用一把互斥鎖來保護balance資源和password資源,例如都使用balanceLock鎖物件,也可以都使用passwordLock鎖物件,甚至也都可以使用this物件或者乾脆每個方法前加一個synchronized關鍵字。

但是,如果都使用同一個鎖物件的話,那麼,程式的效能就太差了。會導致沒有直接業務關係的各種操作都序列執行,這就違背了我們併發程式設計的初衷。實際上,我們使用兩個鎖物件分別保護balance資源和password資源,付款和修改賬戶密碼是可以並行的。

存在直接業務關係的場景

例如,我們使用支付寶進行轉賬操作。假設賬戶A給賬戶B轉賬100,A賬戶減少100元,B賬戶增加100元。兩個賬戶在業務中有直接的業務關係。例如,下面的TansferAccount類,有一個成員變數balance和一個轉賬的方法transfer(),程式碼如下所示。

public class TansferAccount{
    private Integer balance;
    public void transfer(TansferAccount target, Integer transferMoney){
        if(this.balance >= transferMoney){
            this.balance -= transferMoney;
            target.balance += transferMoney;
        }
    }
}

在上面的程式碼中,如何保證轉賬操作不會出現併發問題呢?很多時候我們的第一反應就是給transfer()方法加鎖,如下程式碼所示。

public class TansferAccount{
    private Integer balance;
    public synchronized void transfer(TansferAccount target, Integer transferMoney){
        if(this.balance >= transferMoney){
            this.balance -= transferMoney;
            target.balance += transferMoney;
        }
    }
}

我們仔細分析下, 上面的程式碼真的是安全的嗎?! 其實,在這段程式碼中,synchronized臨界區中存在兩個不同的資源,分別是轉出賬戶的餘額this.balance和轉入賬戶的餘額target.balance,這裡只用到了一把鎖synchronized(this)。說到這裡,大家有沒有一種豁然開朗的感覺。沒錯, 問題就出現在synchronized(this)這把鎖上,這把鎖只能保護this.balance資源,而無法保護target.balance資源。

我們可以使用下圖來表示這個邏輯。

從上圖我們也可以發現, this鎖物件只能保護this.balance資源,而不能保護target.balance資源。

接下來,我們再看一個場景:假設存在A、B、C三個賬戶,餘額都是200,此時我們使用兩個執行緒分別執行兩個轉賬操作:賬戶A給賬戶B轉賬100,賬戶B給賬戶C轉賬100。理論上,賬戶A的餘額為100,賬戶B的餘額為200,賬戶C的餘額為300。

真的是這樣嗎?我們假設執行緒A和執行緒B同時在兩個不同的CPU上執行,執行緒A執行賬戶A給賬戶B轉賬100的操作,執行緒B執行賬戶B給賬戶C轉賬100的操作。兩個執行緒之間是互斥的嗎?顯然不是,按照TansferAccount的程式碼來看,執行緒A鎖定的是賬戶A的例項,執行緒B鎖定的是賬戶B的例項。所以,執行緒A和執行緒B能夠同時進入transfer()方法。此時,執行緒A和執行緒B都能夠讀取到賬戶B的餘額為200。 兩個執行緒都完成轉賬操作後,B的賬戶餘額可能為300,也可能為100,但是不可能為200。

這是為什麼呢?執行緒A和執行緒B同時讀取到賬戶B的餘額為200,如果執行緒A的轉賬操作晚於執行緒B的轉賬操作對balance的寫入,則賬戶B的餘額為300;如果執行緒A的轉賬操作早於執行緒B的轉賬操作對balance的寫入,則賬戶B的餘額為100。無論如何賬戶B的餘額都不會是200。

綜上所示,TansferAccount的程式碼根本無法解決併發問題!

正確的加鎖

如果我們希望對轉賬操作中涉及的多個資源加鎖,那我們的鎖就必須要覆蓋所有需要保護的資源。

在前面的TansferAccount類中,this是物件級別的鎖,這就導致了執行緒A和執行緒B執行過程中所獲取到的鎖是不同的,那麼如何讓兩個執行緒共享同一把鎖呢?!

其中,方案有很多,一種簡單的方式,就是在TansferAccount類的構造方法中傳入一個balanceLock鎖物件,以後在建立TansferAccount類物件的時候,每次傳入相同的balanceLock鎖物件,並在transfer方法中使用balanceLock鎖物件加鎖即可。這樣,所有建立的TansferAccount類物件就會共享balanceLock鎖。程式碼如下所示。

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;
            }   
        }
    }
}

那麼,問題又來了:這樣解決問題真的完美嗎?!

上述程式碼雖然解決了轉賬操作的併發問題,但是它真的就完美了嗎?!仔細分析後,我們發現,並不是想象中的那麼完美。因為它要求建立TansferAccount物件的時候,必須傳入同一個balanceLock物件,如果傳入的不是同一個balanceLock物件,就不能保證併發帶來的執行緒安全問題了!在實際的專案中,建立TansferAccount物件的操作可能被分散在多個不同的專案工程中,這樣很難保證傳入的balanceLock物件是同一個物件。

所以,在建立TansferAccount物件時傳入同一個balanceLock鎖物件的方案,雖然能夠解決轉賬的併發問題,但是卻無法在實際專案中被有效的採用!

還有沒有其他的方案呢?答案是有!別忘了JVM在加鎖類的時候,會為類建立一個Class物件,而這個Class物件對於類的例項物件來說是共享的,也就是說,無論建立多少個類的例項物件,這個Class物件都是同一個,這是由JVM來保證的。

說到這裡,我們就能夠想到使用如下方式對轉賬操作加鎖。

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;
            }   
        }
    }
}

我們可以使用下圖表示這個邏輯。

這樣,無論建立多少個TansferAccount物件,都會共享同一把鎖,解決了轉賬的併發問題。

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