锁用来解决什么问题呢?

在我们编写的应用程序或者高并发程序中,不知道大家有没有想过一个问题,就是我们为什么需要引入锁?锁为我们解决了什么问题呢?在很多业务场景下,我们编写的应用程序中会存在很多的 资源竞争 的问题。而我们在高并发程序中,引入锁,就是为了解决这些资源竞争的问题。

电商超卖问题

这里,我们可以列举一个简单的业务场景。比如,在电子商务(商城)的业务场景中,提交订单购买商品时,首先需要查询相应商品的库存是否足够,只有在商品库存数量足够的前提下,才能让用户成功的下单。

下单时,我们需要在库存数量中减去用户下单的商品数量,并将库存操作的结果数据更新到数据库中。整个流程我们可以简化成下图所示。

我们可以使用下面的代码片段来表示用户的下单操作,我这里将商品的库存信息保存在了Redis中。

!> 注意:上述代码片段比较简单,只是为了方便大家理解,真正项目中的代码就不能这么写了。

上述的代码看似是没啥问题的,但是我们不能只从代码表面上来观察代码的执行顺序。这是因为在JVM中代码的执行顺序未必是按照我们书写代码的顺序执行的。
即使在JVM中代码是按照我们书写的顺序执行,那我们对外提供的接口一旦暴露出去,就会有成千上万的客户端来访问我们的接口。所以说,我们暴露出去的接口是会被并发访问的。

试问,上面的代码在高并发环境下是线程安全的吗?答案肯定不是线程安全的,因为上述扣减库存的操作会出现并行执行的情况。

我们可以使用Apache JMeter来对上述接口进行测试,这里,我使用Apache JMeter对上述接口进行测试。

在Jmeter中,我将线程的并发度设置为3,接下来的配置如下所示。

以HTTP GET请求的方式来并发访问提交订单的接口。此时,运行JMeter来访问接口,命令行会打印出下面的日志信息。

这里,我们明明请求了3次,也就是说,提交了3笔订单,为什么扣减后的库存都是一样的呢?这种现象在电商领域有一个专业的名词叫做  “超卖” 。
如果一个大型的高并发电商系统,比如淘宝、天猫、京东等,出现了超卖现象,那损失就无法估量了!架构设计和开发电商系统的人员估计就要通通下岗了。所以,作为技术人员,我们一定要严谨的对待技术,严格做好系统的每一个技术环节。

JVM中提供的锁

JVM中提供的synchronized和Lock锁,相信大家并不陌生了,很多小伙伴都会使用这些锁,也能使用这些锁来实现一些简单的线程互斥功能。那么,作为立志要成为架构师的你,是否了解过JVM锁的底层原理呢?

JVM锁原理

说到JVM锁的原理,我们就不得不限说说Java中的对象头了。

Java中的对象头

每个Java对象都有对象头。如果是⾮数组类型,则⽤2个字宽来存储对象头,如果是数组,则会⽤3个字宽来存储对象头。在32位处理器中,⼀个字宽是32位;在64位虚拟机中,⼀个字宽是64位。

对象头的内容如下表:

Mark Work的格式如下所示:

可以看到,当对象状态为偏向锁时, Mark Word 存储的是偏向的线程ID;当状态为轻量级锁时, Mark Word 存储的是指向线程栈中 Lock Record 的指针;当状态为重量级锁时, Mark Word 为指向堆中的monitor对象的指针 。

JVM锁原理

简单点来说,JVM中锁的原理如下。

在Java对象的对象头上,有一个锁的标记,比如,第一个线程执行程序时,检查Java对象头中的锁标记,发现Java对象头中的锁标记为未加锁状态,于是为Java对象进行了加锁操作,将对象头中的锁标记设置为锁定状态。

第二个线程执行同样的程序时,也会检查Java对象头中的锁标记,此时会发现Java对象头中的锁标记的状态为锁定状态。于是,第二个线程会进入相应的阻塞队列中进行等待。这里有一个关键点就是Java对象头中的锁标记如何实现。

JVM锁的短板

JVM中提供的synchronized和Lock锁都是JVM级别的,大家都知道,当运行一个Java程序时,会启动一个JVM进程来运行我们的应用程序。synchronized和Lock在JVM级别有效,也就是说,synchronized和Lock在同一Java进程内有效。如果我们开发的应用程序是分布式的,那么只是使用synchronized和Lock来解决分布式场景下的高并发问题,就会显得有点力不从心了。

synchronized和Lock支持JVM同一进程内部的线程互斥

synchronized和Lock在JVM级别能够保证高并发程序的互斥,我们可以使用下图来表示。

但是,当我们将应用程序部署成分布式架构,或者将应用程序在不同的JVM进程中运行时,synchronized和Lock就不能保证分布式架构和多JVM进程下应用程序的互斥性了。

synchronized和Lock不能实现多JVM进程之间的线程互斥

分布式架构和多JVM进程的本质都是将应用程序部署在不同的JVM实例中,也就是说,其本质还是多JVM进程。

分布式锁

我们在实现分布式锁时,可以参照JVM锁实现的思想,JVM锁在为对象加锁时,通过改变Java对象的对象头中的锁的标志位来实现,也就是说,所有的线程都会访问这个Java对象的对象头中的锁标志位。

我们同样以这种思想来实现分布式锁,当我们将应用程序进行拆分并部署成分布式架构时,所有应用程序中的线程访问共享变量时,都到同一个地方去检查当前程序的临界区是否进行了加锁操作,而是否进行了加锁操作,我们在统一的地方使用相应的状态来进行标记。

可以看到,在分布式锁的实现思想上,与JVM锁相差不大。而在实现分布式锁中,保存加锁状态的服务可以使用MySQL、Redis和Zookeeper实现

i> 作者:冰 河
原文链接:https://blog.csdn.net/l1028386804/article/details/105767082

Last modification:June 24th, 2020 at 04:53 pm
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