什么是锁

Java基础

场景描述

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,

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——。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——synchronizedsynchronized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:

    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。

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。