【高并發(fā)】高并發(fā)環(huán)境下詭異的加鎖問題（你加的鎖未必安全）

聲明

特此聲明：文中有關(guān)支付寶賬戶的說明，只是用來舉例，實(shí)際支付寶賬戶要比文中描述的復(fù)雜的多。也與文中描述的完全不同。

前言

很多網(wǎng)友留言說：在編寫多線程并發(fā)程序時，我明明對共享資源加鎖了啊？為什么還是出問題呢？問題到底出在哪里呢？其實(shí)，我想說的是：你的加鎖姿勢正確嗎？你真的會使用鎖嗎？錯誤的加鎖方式不但不能解決并發(fā)問題，而且還會帶來各種詭異的Bug問題，有時難以復(fù)現(xiàn)！

在之前的《【高并發(fā)】如何使用互斥鎖解決多線程的原子性問題？這次終于明白了！》一文中，我們知道在并發(fā)編程中，不能使用多把鎖保護(hù)同一個資源，因?yàn)檫@樣達(dá)不到線程互斥的效果，存在線程安全的問題。相反，卻可以使用同一把鎖保護(hù)多個資源。那么，如何使用同一把鎖保護(hù)多個資源呢？又如何判斷我們對程序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

我們在分析多線程中如何使用同一把鎖保護(hù)多個資源時，可以將其結(jié)合具體的業(yè)務(wù)場景來看，比如：需要保護(hù)的多個資源之間有沒有直接的業(yè)務(wù)關(guān)系。如果需要保護(hù)的資源之間沒有直接的業(yè)務(wù)關(guān)系，那么如何對其加鎖；如果有直接的業(yè)務(wù)關(guān)系，那么如何對其加鎖？接下來，我們就順著這兩個方向進(jìn)行深入說明。

沒有直接業(yè)務(wù)關(guān)系的場景

例如，我們的支付寶賬戶，有針對余額的付款操作，也有針對賬戶密碼的修改操作。本質(zhì)上，這兩種操作之間沒有直接的業(yè)務(wù)關(guān)系，此時，我們可以為賬戶的余額和賬戶密碼分配不同的鎖來解決并發(fā)問題。

例如，在支付寶賬戶AlipayAccount類中，有兩個成員變量，分別是賬戶的余額balance和賬戶的密碼password。付款操作的pay()方法和查看余額操作的getBalance()方法會訪問賬戶中的成員變量balance，對此，我們可以創(chuàng)建一個balanceLock鎖對象來保護(hù)balance資源；另外，更改密碼操作的updatePassword()方法和查看密碼的getPassowrd()方法會訪問賬戶中的成員變量password，對此，我們可以創(chuàng)建一個passwordLock鎖對象來保護(hù)password資源。

具體的代碼如下所示。

public class AlipayAccount{
    //保護(hù)balance資源的鎖對象
    private final Object balanceLock = new Object();
    //保護(hù)password資源的鎖對象
    private final Object passwordLock = new Object();
    //賬戶余額
    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;
            }
        }
    }
    //查看賬戶中的余額
    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;
        }
    }

    //查看賬戶的密碼
    public String getPassword(){
        synchronized(passwordLock){
            return this.password;
        }
    }
}

這里，我們也可以使用一把互斥鎖來保護(hù)balance資源和password資源，例如都使用balanceLock鎖對象，也可以都使用passwordLock鎖對象，甚至也都可以使用this對象或者干脆每個方法前加一個synchronized關(guān)鍵字。

但是，如果都使用同一個鎖對象的話，那么，程序的性能就太差了。會導(dǎo)致沒有直接業(yè)務(wù)關(guān)系的各種操作都串行執(zhí)行，這就違背了我們并發(fā)編程的初衷。實(shí)際上，我們使用兩個鎖對象分別保護(hù)balance資源和password資源，付款和修改賬戶密碼是可以并行的。

存在直接業(yè)務(wù)關(guān)系的場景

例如，我們使用支付寶進(jìn)行轉(zhuǎn)賬操作。假設(shè)賬戶A給賬戶B轉(zhuǎn)賬100，A賬戶減少100元，B賬戶增加100元。兩個賬戶在業(yè)務(wù)中有直接的業(yè)務(wù)關(guān)系。例如，下面的TansferAccount類，有一個成員變量balance和一個轉(zhuǎn)賬的方法transfer()，代碼如下所示。

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

在上面的代碼中，如何保證轉(zhuǎn)賬操作不會出現(xiàn)并發(fā)問題呢？很多時候我們的第一反應(yīng)就是給transfer()方法加鎖，如下代碼所示。

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(xì)分析下，上面的代碼真的是安全的嗎？！其實(shí)，在這段代碼中，synchronized臨界區(qū)中存在兩個不同的資源，分別是轉(zhuǎn)出賬戶的余額this.balance和轉(zhuǎn)入賬戶的余額target.balance，這里只用到了一把鎖synchronized(this)。說到這里，大家有沒有一種豁然開朗的感覺。沒錯，問題就出現(xiàn)在synchronized(this)這把鎖上，這把鎖只能保護(hù)this.balance資源，而無法保護(hù)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(fā)現(xiàn)，this鎖對象只能保護(hù)this.balance資源，而不能保護(hù)target.balance資源。

接下來，我們再看一個場景：假設(shè)存在A、B、C三個賬戶，余額都是200，此時我們使用兩個線程分別執(zhí)行兩個轉(zhuǎn)賬操作：賬戶A給賬戶B轉(zhuǎn)賬100，賬戶B給賬戶C轉(zhuǎn)賬100。理論上，賬戶A的余額為100，賬戶B的余額為200，賬戶C的余額為300。

真的是這樣嗎？我們假設(shè)線程A和線程B同時在兩個不同的CPU上執(zhí)行，線程A執(zhí)行賬戶A給賬戶B轉(zhuǎn)賬100的操作，線程B執(zhí)行賬戶B給賬戶C轉(zhuǎn)賬100的操作。兩個線程之間是互斥的嗎？顯然不是，按照TansferAccount的代碼來看，線程A鎖定的是賬戶A的實(shí)例，線程B鎖定的是賬戶B的實(shí)例。所以，線程A和線程B能夠同時進(jìn)入transfer()方法。此時，線程A和線程B都能夠讀取到賬戶B的余額為200。兩個線程都完成轉(zhuǎn)賬操作后，B的賬戶余額可能為300，也可能為100，但是不可能為200。

這是為什么呢？線程A和線程B同時讀取到賬戶B的余額為200，如果線程A的轉(zhuǎn)賬操作晚于線程B的轉(zhuǎn)賬操作對balance的寫入，則賬戶B的余額為300；如果線程A的轉(zhuǎn)賬操作早于線程B的轉(zhuǎn)賬操作對balance的寫入，則賬戶B的余額為100。無論如何賬戶B的余額都不會是200。

綜上所示，TansferAccount的代碼根本無法解決并發(fā)問題！

正確的加鎖

如果我們希望對轉(zhuǎn)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(hù)的資源。

在前面的TansferAccount類中，this是對象級別的鎖，這就導(dǎo)致了線程A和線程B執(zhí)行過程中所獲取到的鎖是不同的，那么如何讓兩個線程共享同一把鎖呢？！

其中，方案有很多，一種簡單的方式，就是在TansferAccount類的構(gòu)造方法中傳入一個balanceLock鎖對象，以后在創(chuàng)建TansferAccount類對象的時候，每次傳入相同的balanceLock鎖對象，并在transfer方法中使用balanceLock鎖對象加鎖即可。這樣，所有創(chuàng)建的TansferAccount類對象就會共享balanceLock鎖。代碼如下所示。

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;
            }   
        }
    }
}

那么，問題又來了：這樣解決問題真的完美嗎？！

上述代碼雖然解決了轉(zhuǎn)賬操作的并發(fā)問題，但是它真的就完美了嗎？！仔細(xì)分析后，我們發(fā)現(xiàn)，并不是想象中的那么完美。因?yàn)樗髣?chuàng)建TansferAccount對象的時候，必須傳入同一個balanceLock對象，如果傳入的不是同一個balanceLock對象，就不能保證并發(fā)帶來的線程安全問題了！在實(shí)際的項目中，創(chuàng)建TansferAccount對象的操作可能被分散在多個不同的項目工程中，這樣很難保證傳入的balanceLock對象是同一個對象。

所以，在創(chuàng)建TansferAccount對象時傳入同一個balanceLock鎖對象的方案，雖然能夠解決轉(zhuǎn)賬的并發(fā)問題，但是卻無法在實(shí)際項目中被有效的采用！

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，會為類創(chuàng)建一個Class對象，而這個Class對象對于類的實(shí)例對象來說是共享的，也就是說，無論創(chuàng)建多少個類的實(shí)例對象，這個Class對象都是同一個，這是由JVM來保證的。

說到這里，我們就能夠想到使用如下方式對轉(zhuǎn)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，無論創(chuàng)建多少個TansferAccount對象，都會共享同一把鎖，解決了轉(zhuǎn)賬的并發(fā)問題。

寫在最后

最后，附上并發(fā)編程需要掌握的核心技能知識圖，祝大家在學(xué)習(xí)并發(fā)編程時，少走彎路。

記?。?/span>你比別人強(qiáng)的地方，不是你做過多少年的CRUD工作，而是你比別人掌握了更多深入的技能。不要總停留在CRUD的表面工作，理解并掌握底層原理并熟悉源碼實(shí)現(xiàn)，并形成自己的抽象思維能力，做到靈活運(yùn)用，才是你突破瓶頸，脫穎而出的重要方向！

你在刷抖音，玩游戲的時候，別人都在這里學(xué)習(xí)，成長，提升，人與人最大的差距其實(shí)就是思維。你可能不信，優(yōu)秀的人，總是在一起。。

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