什么是锁
场景描述
锁在JAVA中是一个非常重要的概念,尤其是在当今的互联网时代,高并发的场景下,更是离不开锁。那么锁到底是什么呢?在计算机科学中,锁(lock)或互斥(mutex)是一种同步机制,用于在有许多执行线程的环境中强制对资源的访问限制。锁旨在强制实施互斥排他、并发控制策略。咱们举一个生活中的例子:大家都去过超市买东西,如果你随身带了包呢,要放到储物柜里。咱们把这个例子再极端一下,假如柜子只有一个,现在同时来了3个人A,B,C,都要往这个柜子里放东西。这个场景就构造了一个多线程,多线程自然离不开锁。如下图所示:
A,B,C都要往柜子里放东西,可是柜子只能放一件东西,那怎么办呢?这个时候呢就引出了锁的概念,3个人中谁抢到了柜子的锁,谁就可以使用这个柜子,其他的人只能等待。比如:C抢到了锁,C可以使用这个柜子。A和B只能等待,等C使用完了,释放锁以后,A和B再争抢锁,谁抢到了,再继续使用柜子。
代码示例
我们再将上面的场景反应到程序中,首先创建一个柜子的类:
public class Cabinet { //柜子中存储的数字 private int storeNumber; public void setStoreNumber(int storeNumber){ this.storeNumber = storeNumber; } public int getStoreNumber(){ return this.storeNumber; } }
柜子中存储的是数字。
然后我们将3个用户抽象成一个类:
public class User { //柜子 private Cabinet cabinet; //存储的数字 private int storeNumber; public User(Cabinet cabinet,int storeNumber){ this.cabinet = cabinet; this.storeNumber = storeNumber; } //使用柜子 public void useCabinet(){ cabinet.setStoreNumber(storeNumber); } }
在用户的构造方法中,需要传入两个参数,一个是要使用的柜子,另一个是要存储的数字。到这里,柜子和用户都已经抽象成了类,接下来我们再写一个启动类,模拟一下3个用户使用柜子的场景:
public class Starter { public static void main(String[] args){ Cabinet cabinet = new Cabinet(); ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(3); for (int i = 0; i < 3; i++){ final int storeNumber = i; es.execute(()->{ User user = new User(cabinet,storeNumber); user.useCabinet(); System.out.println("我是用户"+storeNumber+",我存储的数字是:"+cabinet.getStoreNumber()); }); } es.shutdown(); } }
我们仔细的看一下这个main函数的过程,
- 首先创建一个柜子的实例,由于场景中只有一个柜子,所以我们只创建了一个柜子实例。
- 然后我们新建一个线程池,线程池中有3个线程,每个线程执行一个用户的操作。
- 再来看看每个线程具体的执行过程,新建用户实例,传入的是用户使用的柜子,我们这里只有一个柜子,所以传入这个柜子的实例,然后传入这个用户要存储的数字,分别是1,2,3,也分别对应着用户A,用户B,和用户C。
- 再调用使用柜子的操作,也就是向柜子中放入要存储的数字,然后立刻从柜子中取出数字,并打印出来。
我们运行一下main函数,看看打印的结果是什么?
我是用户0,我存储的数字是:2 我是用户2,我存储的数字是:2 我是用户1,我存储的数字是:2
从结果中我们可以看出,3个用户在柜子中存储的数字都变成了2。我们再次运行程序,结果如下:
我是用户1,我存储的数字是:1 我是用户2,我存储的数字是:1 我是用户0,我存储的数字是:1
这次又变成了1。这是为什么呢?问题就出在user.useCabinet()
这个方法上,这是因为柜子这个实例没有加锁的原因,3个用户并行的执行,向柜子中存储他们的数字,虽然是3个用户并行的同时操作,但是在具体赋值时,也是有顺序的,因为变量storeNumber
只占有一块内存,storeNumber
只存储一个值,存储最后的线程所设置的值。至于哪个线程排在最后,则完全不确定。赋值语句执行完成后,进入到打印语句,打印语句取storeNumber
的值并打印,这时storeNumber
存储的是最后一个线程所设置的值,3个线程取到的值是相同的,就像上面打印的结果一样。
那么如何解决这个问题?这就引出了我们本文的重点内容——锁。我们在赋值语句上加锁,这样当多个线程(本文当中的多个用户)同时赋值时,谁抢到了这把锁,谁才能赋值。这样保证同一时刻只能有一个线程进行赋值操作,避免了之前的混乱的情况。
那么在程序中如何加锁呢?这就要使用JAVA中的一个关键字了——synchronized
。synchronized
分为synchronized
方法和synchronized
同步代码块。下面我们看一下两者的具体用法:
-
synchronized
方法,顾名思义,是把synchronized
关键字写在方法上,它表示这个方法是加了锁的,当多个线程同时调用这个方法时,只有获得锁的线程才可以执行。我们看一下下面的例子:
public synchronized String getTicket(){ return "xxx"; }
我们可以看到getTicket()
方法加了锁,当多个线程并发执行的时候,只有获得到锁的线程才可以执行,其他的线程只能等待。
- 我们再来看看
synchronized
块,synchronized
块的语法是:
synchronized (对象锁){ …… }
我们将需要加锁的语句都写在synchronized
块内,而在对象锁的位置,需要填写加锁的对象,它的含义是,当多个线程并发执行时,只有获得你写的这个对象的锁,才能执行后面的语句,其他的线程只能等待。synchronized
块通常的写法是synchronized(this)
,这个this
是当前类的实例,也就是说获得当前这个类的对象的锁,才能执行这个方法,这样写的效果和synchronized
方法是一样的。
再回到我们的示例当中,如何解决storeNumber
混乱的问题呢?咱们可以在设置storeNumber
的方法上加上锁,这样保证同时只有一个线程能调用这个方法。如下所示:
public class Cabinet { //柜子中存储的数字 private int storeNumber; public synchronized void setStoreNumber(int storeNumber){ this.storeNumber = storeNumber; } public int getStoreNumber(){ return this.storeNumber; } }
我们在set方法上加了synchronized
关键字,这样在存储数字时,就不会并行的去执行了,而是哪个用户抢到锁,哪个用户执行存储数字的方法。我们再运行一下main函数,看看运行的结果:
我是用户1,我存储的数字是:1 我是用户2,我存储的数字是:2 我是用户0,我存储的数字是:0
由于set方法上加了锁,不会并发的执行这个方法,而是一个线程一个线程的去执行,这样用户存储的数字,和取出的数字就对应上了,不会造成混乱。
最后我们通过一张图上面示例的整体情况。
如上图所示,线程A,线程B,线程C同时调用Cabinet
类的setStoreNumber
方法,线程B获得了锁,所以线程B可以执行setStoreNumber
的方法,线程A和线程C只能等待。
总结
通过上面的场景与示例,我们可以了解多线程情况下,造成的变量值前后不一致的问题,以及锁的作用。在使用了锁以后,可以避免这种混乱的现象。在下一节中,我们将给大家介绍JAVA中都有哪些关于锁的解决方案。
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