一个简单的转账场景示例带你了解并发安全?

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了一个简单的转账场景示例带你了解并发安全?。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方,请大家不吝赐教,您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

本文转帐场景主要参考来自于极客时间 王老师的 《Java 并发编程实战》

一个简单的转账场景示例带你了解并发安全?

例如如银行业务里面的转账操作,账户 A 减少 100 元,账户 B 增加 100 元。
我们声明了个账户类:Account,该类有一个成员变量余额:balance,还有一个用于转账的方法:transfer(),然后怎么保证转账操作 transfer() 没有并发问题呢?


示例代码如下:

class Account {
  private int balance;
  // 转账
  void transfer(
      Account target, int amt){
    if (this.balance > amt) {
      this.balance -= amt;
      target.balance += amt;
    }
  } 
}

首先直觉告诉我们,有线程安全问题那就用 synchronized 关键字修饰一下 transfer() 方法不就可以了,如下所示。

class Account {
  private int balance;
  // 转账
  synchronized void transfer(
      Account target, int amt){
    if (this.balance > amt) {
      this.balance -= amt;
      target.balance += amt;
    }
  } 
}

在这段代码中,问题出在哪里呢?问题就出在 this 这把锁上,this 这把锁可以保护自己的余额 this.balance,却保护不了别人的余额 target.balance。
一个简单的转账场景示例带你了解并发安全?,后端工程师,并发编程具体可以分析一下,假设有 A、B、C 三个账户,余额都是 200 元,我们用两个线程分别执行两个转账操作:账户 A 转给账户 B 100 元,账户 B 转给账户 C 100 元,最后我们期望的结果应该是账户 A 的余额是 100 元,账户 B 的余额是 200 元, 账户 C 的余额是 300 元。

实际多线程执行结果可能为最终账户 B 的余额可能是 300,可能是 100,自行分析或验证。

使用锁的正确姿势

this 是对象级别的锁,所以 A 对象和 B 对象都有自己的锁,我们只要让 A 对象和 B 对象共享一把锁,那就能解决并发安全问题。
我们于是可以用 Account.class 作为共享的锁。这个对象是 Java 虚拟机在加载 Account 类的时候创建的,所以我们不用担心它的唯一性。使用 Account.class 作为共享的锁,代码修正示例如下:

class Account {
  private int balance;
  // 转账
  void transfer(Account target, int amt){
    synchronized(Account.class) {
      if (this.balance > amt) {
        this.balance -= amt;
        target.balance += amt;
      }
    }
  } 
}

我们用 Account.class 作为互斥锁,来解决银行业务里面的转账问题,虽然这个方案不存在并发问题,但是所有账户的转账操作都是串行的,例如账户 A 转账户 B、账户 C 转账户 D 这两个转账操作现实世界里是可以并行的,但是在这个方案里却被串行化了,这样的话,性能太差。

向现实世界要答案

现实世界里,账户转账操作是支持并发的,而且绝对是真正的并行,我们试想在古代,没有信息化,账户的存在形式真的就是一个账本,而且每个账户都有一个账本,这些账本都统一存放在文件架上。银行柜员在给我们做转账时,要去文件架上把转出账本和转入账本都拿到手,然后做转账。

上面这个过程在编程的世界里怎么实现呢?其实用两把锁就实现了,转出账本一把,转入账本另一把。在 transfer() 方法内部,我们首先尝试锁定转出账户 this(先把转出账本拿到手),然后尝试锁定转入账户 target(再把转入账本拿到手),只有当两者都成功时,才执行转账操作。

一个简单的转账场景示例带你了解并发安全?,后端工程师,并发编程

class Account {
  private int balance;
  // 转账
  void transfer(Account target, int amt){
    // 锁定转出账户
    synchronized(this) {              
      // 锁定转入账户
      synchronized(target) {           
        if (this.balance > amt) {
          this.balance -= amt;
          target.balance += amt;
        }
      }
    }
  } 
}

我们知道,使用细粒度锁可以提高并行度,但是也可能会导致死锁
一个简单的转账场景示例带你了解并发安全?,后端工程师,并发编程

如何预防死锁?

并发程序一旦死锁,一般没有特别好的方法,很多时候我们只能重启应用。因此,解决死锁问题最好的办法还是规避死锁。
要避免死锁就需要分析死锁发生的条件,有个叫 Coffman 的牛人早就总结过了,只有以下这四个条件都发生时才会出现死锁:

  • 互斥,共享资源 X 和 Y 只能被一个线程占用;
  • 占有且等待,线程 T1 已经取得共享资源 X,在等待共享资源 Y 的时候,不释放共享资源 X;
  • 不可抢占,其他线程不能强行抢占线程 T1 占有的资源;
  • 循环等待,线程 T1 等待线程 T2 占有的资源,线程 T2 等待线程 T1 占有的资源,就是循环等待。

所以,我们只要破坏其中一个条件,就能成功避免死锁的发生。
其中,互斥这个条件我们没有办法破坏,因为我们用锁为的就是互斥。不过其他三个条件都是有办法破坏掉的,到底如何做呢?

破坏不可抢占条件

java.util.concurrent 这个包下面提供的 Lock 是可以轻松解决这个问题的。

破坏循环等待条件

破坏这个条件,需要对资源进行排序,然后按序申请资源。这个实现非常简单,我们假设每个账户都有不同的属性 id,这个 id 可以作为排序字段,申请的时候,我们可以按照从小到大的顺序来申请。示例代码如下:

class Account {
  private int id;
  private int balance;
  // 转账
  void transfer(Account target, int amt){
    Account left = thisAccount right = target;if (this.id > target.id) { ③
      left = target;           ④
      right = this;}// 锁定序号小的账户
    synchronized(left){
      // 锁定序号大的账户
      synchronized(right){ 
        if (this.balance > amt){
          this.balance -= amt;
          target.balance += amt;
        }
      }
    }
  } 
}
破坏占用且等待条件

从理论上讲,要破坏这个条件,可以一次性申请所有资源。示例代码如下:

class Allocator {
  private List<Object> als =
    new ArrayList<>();
  // 一次性申请所有资源
  synchronized boolean apply(
    Object from, Object to){
    if(als.contains(from) ||
         als.contains(to)){
      return false;  
    } else {
      als.add(from);
      als.add(to);  
    }
    return true;
  }
  // 归还资源
  synchronized void free(
    Object from, Object to){
    als.remove(from);
    als.remove(to);
  }
}

class Account {
  // actr应该为单例
  private Allocator actr;
  private int balance;
  // 转账
  void transfer(Account target, int amt){
    // 一次性申请转出账户和转入账户,直到成功
    while(!actr.apply(this, target))try{
      // 锁定转出账户
      synchronized(this){              
        // 锁定转入账户
        synchronized(target){           
          if (this.balance > amt){
            this.balance -= amt;
            target.balance += amt;
          }
        }
      }
    } finally {
      actr.free(this, target)
    }
  } 
}

上面用死循环的方式实现等待有什么问题呢?

如果 apply() 操作耗时非常短,而且并发冲突量也不大时,这个方案还挺不错的,因为这种场景下,循环上几次或者几十次就能一次性获取转出账户和转入账户了。但是如果 apply() 操作耗时长,或者并发冲突量大的时候,循环等待这种方案就不适用了,因为在这种场景下,可能要循环上万次才能获取到锁,太消耗 CPU 了。

其实在这种场景下,最好的方案应该是:如果线程要求的条件不满足,则线程阻塞自己,进入等待状态;当线程要求的条件满足后,通知等待的线程重新执行。其中,使用线程阻塞的方式就能避免循环等待消耗 CPU 的问题。所以我们可以用等待通知机制来优化此流程,示例代码如下:

class Allocator {
  private List<Object> als;
  // 一次性申请所有资源
  synchronized void apply(
    Object from, Object to){
    // 经典写法
    while(als.contains(from) ||
         als.contains(to)){
      try{
        wait();
      }catch(Exception e){
      }   
    } 
    als.add(from);
    als.add(to);  
  }
  // 归还资源
  synchronized void free(
    Object from, Object to){
    als.remove(from);
    als.remove(to);
    notifyAll();
  }
}
  • notify() 是会随机地通知等待队列中的一个线程;
  • notifyAll() 会通知等待队列中的所有线程,推荐尽量使用 notifyAll()

并发编程全景图

个人总结及归纳的思维导图,供大家参考。
一个简单的转账场景示例带你了解并发安全?,后端工程师,并发编程文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-813743.html

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