04 | 互斥锁（下）：如何用一把锁保护多个资源？

在上一篇文章中，我们提到受保护资源和锁之间合理的关联关系应该是N:1的关系，也就是说可以用一把锁来保护多个资源，但是不能用多把锁来保护一个资源，并且结合文中示例，我们也重点强调了“不能用多把锁来保护一个资源”这个问题。而至于如何保护多个资源，我们今天就来聊聊。

当我们要保护多个资源时，首先要区分这些资源是否存在关联关系。

保护没有关联关系的多个资源

在现实世界里，球场的座位和电影院的座位就是没有关联关系的，这种场景非常容易解决，那就是球赛有球赛的门票，电影院有电影院的门票，各自管理各自的。

同样这对应到编程领域，也很容易解决。例如，银行业务中有针对账户余额（余额是一种资源）的取款操作，也有针对账户密码（密码也是一种资源）的更改操作，我们可以为账户余额和账户密码分配不同的锁来解决并发问题，这个还是很简单的。

相关的示例代码如下，账户类Account有两个成员变量，分别是账户余额balance和账户密码password。取款withdraw()和查看余额getBalance()操作会访问账户余额balance，我们创建一个final对象balLock作为锁（类比球赛门票）；而更改密码updatePassword()和查看密码getPassword()操作会修改账户密码password，我们创建一个final对象pwLock作为锁（类比电影票）。不同的资源用不同的锁保护，各自管各自的，很简单。

class Account {
      // 锁：保护账户余额
      private final Object balLock
        = new Object();
      // 账户余额  
      private Integer balance;
      // 锁：保护账户密码
      private final Object pwLock
        = new Object();
      // 账户密码
      private String password;
    
      // 取款
      void withdraw(Integer amt) {
        synchronized(balLock) {
          if (this.balance > amt){
            this.balance -= amt;
          }
        }
      } 
      // 查看余额
      Integer getBalance() {
        synchronized(balLock) {
          return balance;
        }
      }
    
      // 更改密码
      void updatePassword(String pw){
        synchronized(pwLock) {
          this.password = pw;
        }
      } 
      // 查看密码
      String getPassword() {
        synchronized(pwLock) {
          return password;
        }
      }
    }

当然，我们也可以用一把互斥锁来保护多个资源，例如我们可以用this这一把锁来管理账户类里所有的资源：账户余额和用户密码。具体实现很简单，示例程序中所有的方法都增加同步关键字synchronized就可以了，这里我就不一一展示了。

但是用一把锁有个问题，就是性能太差，会导致取款、查看余额、修改密码、查看密码这四个操作都是串行的。而我们用两把锁，取款和修改密码是可以并行的。用不同的锁对受保护资源进行精细化管理，能够提升性能。这种锁还有个名字，叫细粒度锁。

保护有关联关系的多个资源

如果多个资源是有关联关系的，那这个问题就有点复杂了。例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。这两个账户就是有关联关系的。那对于像转账这种有关联关系的操作，我们应该怎么去解决呢？先把这个问题代码化。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？

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

相信你的直觉会告诉你这样的解决方案：用户synchronized关键字修饰一下transfer()方法就可以了，于是你很快就完成了相关的代码，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，临界区内有两个资源，分别是转出账户的余额this.balance和转入账户的余额target.balance，并且用的是一把锁this，符合我们前面提到的，多个资源可以用一把锁来保护，这看上去完全正确呀。真的是这样吗？可惜，这个方案仅仅是看似正确，为什么呢？

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，就像你不能用自家的锁来保护别人家的资产，也不能用自己的票来保护别人的座位一样。

用锁this保护this.balance和target.balance的示意图

下面我们具体分析一下，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。

我们假设线程1执行账户A转账户B的操作，线程2执行账户B转账户C的操作。这两个线程分别在两颗CPU上同时执行，那它们是互斥的吗？我们期望是，但实际上并不是。因为线程1锁定的是账户A的实例（A.this），而线程2锁定的是账户B的实例（B.this），所以这两个线程可以同时进入临界区transfer()。同时进入临界区的结果是什么呢？线程1和线程2都会读到账户B的余额为200，导致最终账户B的余额可能是300（线程1后于线程2写B.balance，线程2写的B.balance值被线程1覆盖），可能是100（线程1先于线程2写B.balance，线程1写的B.balance值被线程2覆盖），就是不可能是200。

并发转账示意图

使用锁的正确姿势

在上一篇文章中，我们提到用同一把锁来保护多个资源，也就是现实世界的“包场”，那在编程领域应该怎么“包场”呢？很简单，只要我们的锁能覆盖所有受保护资源就可以了。在上面的例子中，this是对象级别的锁，所以A对象和B对象都有自己的锁，如何让A对象和B对象共享一把锁呢？

稍微开动脑筋，你会发现其实方案还挺多的，比如可以让所有对象都持有一个唯一性的对象，这个对象在创建Account时传入。方案有了，完成代码就简单了。示例代码如下，我们把Account默认构造函数变为private，同时增加一个带Object lock参数的构造函数，创建Account对象时，传入相同的lock，这样所有的Account对象都会共享这个lock了。

class Account {
      private Object lock；
      private int balance;
      private Account();
      // 创建Account时传入同一个lock对象
      public Account(Object lock) {
        this.lock = lock;
      } 
      // 转账
      void transfer(Account target, int amt){
        // 此处检查所有对象共享的锁
        synchronized(lock) {
          if (this.balance > amt) {
            this.balance -= amt;
            target.balance += amt;
          }
        }
      }
    }

这个办法确实能解决问题，但是有点小瑕疵，它要求在创建Account对象的时候必须传入同一个对象，如果创建Account对象时，传入的lock不是同一个对象，那可就惨了，会出现锁自家门来保护他家资产的荒唐事。在真实的项目场景中，创建Account对象的代码很可能分散在多个工程中，传入共享的lock真的很难。

所以，上面的方案缺乏实践的可行性，我们需要更好的方案。还真有，就是用Account.class作为共享的锁。Account.class是所有Account对象共享的，而且这个对象是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，我们就无需在创建Account对象时传入了，代码更简单。

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;
          }
        }
      } 
    }

下面这幅图很直观地展示了我们是如何使用共享的锁Account.class来保护不同对象的临界区的。

总结

相信你看完这篇文章后，对如何保护多个资源已经很有心得了，关键是要分析多个资源之间的关系。如果资源之间没有关系，很好处理，每个资源一把锁就可以了。如果资源之间有关联关系，就要选择一个粒度更大的锁，这个锁应该能够覆盖所有相关的资源。除此之外，还要梳理出有哪些访问路径，所有的访问路径都要设置合适的锁，这个过程可以类比一下门票管理。

我们再引申一下上面提到的关联关系，关联关系如果用更具体、更专业的语言来描述的话，其实是一种“原子性”特征，在前面的文章中，我们提到的原子性，主要是面向CPU指令的，转账操作的原子性则是属于是面向高级语言的，不过它们本质上是一样的。

“原子性”的本质是什么？其实不是不可分割，不可分割只是外在表现，其本质是多个资源间有一致性的要求，操作的中间状态对外不可见。例如，在32位的机器上写long型变量有中间状态（只写了64位中的32位），在银行转账的操作中也有中间状态（账户A减少了100，账户B还没来得及发生变化）。所以解决原子性问题，是要保证中间状态对外不可见。

课后思考

在第一个示例程序里，我们用了两把不同的锁来分别保护账户余额、账户密码，创建锁的时候，我们用的是：private final Object xxxLock = new Object();，如果账户余额用 this.balance 作为互斥锁，账户密码用this.password作为互斥锁，你觉得是否可以呢？

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