Java rewrite lock의 설계 구조와 세부 사항은 무엇입니까?

소개

어떤 면접관들은 학생들에게 자물쇠의 원리를 설명한 후 새 자물쇠를 다시 작성하라고 하고, 화이트보드에 전반적인 아이디어와 코드 논리를 적어달라고 요청하는 것을 좋아합니다. 개인적으로 두 부분에 중점을 두고 있다고 생각합니다.

잠금 원리에 대한 이해가 어떻게 시작되었는지 살펴보세요. 소스 코드를 읽지 않았다면 온라인 기사를 읽어보거나 뒷면에 있는 인터뷰 질문을 통해서도 알 수 있습니다. 일반적인 원칙이지만 실제로 소스 코드를 본 적이 없거나 잠금 관련 프로젝트에 대한 경험이 없으면 그 자리에서 잠금 구현 코드를 작성하기가 어렵습니다.

생성할 필요는 없습니다. Java 잠금의 기존 API를 모방하기 위해 다시 작성하면 됩니다.

소스 코드를 읽어보셨다면 이 질문은 정말 간단합니다. 익숙한 자물쇠를 선택하여 따라하시면 ​​됩니다.

1. 요구 사항

일반적으로 잠금을 사용자 정의할 때 요구 사항에 따라 정의합니다. 공유 잠금의 경우 공유 리소스와 같은 다양한 시나리오를 생각할 수 있습니다. 데이터베이스 링크에 대한 공유 액세스와 같이 읽기 잠금을 공유할 수 있습니다. 예를 들어 소켓 서버의 링크 수를 공유할 수 있습니다. 잠금을 정의하기 위해 데이터베이스 링크에 대한 공유 액세스 시나리오를 선택합니다.

2. 상세 설계

우리의 데이터베이스가 10개의 연결만 지원할 수 있는 독립형 mysql이라고 가정합니다. 데이터베이스 링크를 생성할 때 가장 원시적인 JDBC 방법을 사용합니다. 인터페이스를 사용합니다. JDBC는 링크 생성 프로세스를 캡슐화합니다. 이 인터페이스의 이름은 Create Link Interface입니다.

공유 액세스 데이터베이스 링크에 대한 전체 요구 사항은 다음과 같습니다. 결합된 모든 요청에 ​​대한 mysql 링크 수는 10(포함)을 초과할 수 없습니다. 10을 초과하면 오류가 직접 보고됩니다.

이 맥락에서 우리는 다음 그림을 디자인했습니다.

이 디자인의 가장 중요한 부분은 잠금을 얻을 수 있는지 여부에 따라 mysql 링크를 얻을 수 있는지 여부를 결정한다는 것입니다. 그런 다음 링크를 얻을 수 있습니다. 그렇지 않으면 오류가 직접 보고됩니다.

그럼 구현된 코드를 살펴보겠습니다.

2.1. 잠금 정의

먼저 정의에는 두 가지 요소가 필요합니다.

잠금 정의: 외부에서 제공되는 동기화 잠금; 그리고 잠금 해제.

공유 잠금의 코드 구현은 다음과 같습니다.

// 共享不公平锁
public class ShareLock implements Serializable{
	// 同步器
  private final Sync sync;
  // 用于确保不能超过最大值
  private final int maxCount;
  /**
   * 初始化时给同步器 sync 赋值
   * count 代表可以获得共享锁的最大值
   */
  public ShareLock(int count) {
    this.sync = new Sync(count);
    maxCount = count;
  }
  /**
   * 获得锁
   * @return true 表示成功获得锁，false 表示失败
   */
  public boolean lock(){
    return sync.acquireByShared(1);
  }
  /**
   * 释放锁
   * @return true 表示成功释放锁，false 表示失败
   */
  public boolean unLock(){
    return sync.releaseShared(1);
  }
}

위 코드에서 볼 수 있듯이 잠금 및 해제 잠금 구현은 동기화 장치 Sync의 기본 구현에 의존합니다.

유일하게 주목해야 할 점은 잠금이 주로 두 가지 측면에서 API 사양을 지정해야 한다는 것입니다.

API에 필요한 것은 잠금이 초기화될 때 나에게 전달해야 하는 매개변수입니다. 초기화되면 최대 공유 가능한 잠금 수를 전달해야 합니다.

자체 기능을 정의해야 합니다. 즉, 각 메서드의 입력 매개 변수와 출력 매개 변수를 정의해야 합니다. ShareLock 구현에는 잠금 및 해제를 위한 입력 매개변수가 없습니다. 이는 메서드에 1로 하드코딩되어 있으며, 이는 메서드가 실행될 때마다 잠금이 한 번만 잠기거나 해제될 수 있음을 의미합니다. 매개변수는 부울 값이고 true는 추가를 의미합니다. 잠금 또는 잠금 해제가 성공했음을 의미하고, false는 실패를 의미하며, 맨 아래 계층에서는 동기화 불공정 잠금을 사용합니다.

위의 사고 방식에는 방법론이 있습니다. 즉, 문제에 대해 생각할 때 두 가지 측면에서 시작할 수 있습니다. API란 무엇입니까? API에는 어떤 기능이 있나요?

2.2.동기화 장치 정의

Sync는 AQS를 직접 상속합니다. 코드는 다음과 같습니다.

class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
   // 表示最多有 count 个共享锁可以获得
  public Sync(int count) {
    setState(count);
  }
  // 获得 i 个锁
  public boolean acquireByShared(int i) {
    // 自旋保证 CAS 一定可以成功
    for(;;){
      if(i<=0){
        return false;
      }
      int state = getState();
      // 如果没有锁可以获得，直接返回 false
      if(state <=0 ){
        return false;
      }
      int expectState = state - i;
      // 如果要得到的锁不够了，直接返回 false
      if(expectState < 0 ){
        return false;
      }
      // CAS 尝试得到锁,CAS 成功获得锁，失败继续 for 循环
      if(compareAndSetState(state,expectState)){
        return true;
      }
    }
  }
  // 释放 i 个锁
  @Override
  protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
    for(;;){
      if(arg<=0){
        return false;
      }
      int state = getState();
      int expectState = state + arg;
      // 超过了 int 的最大值，或者 expectState 超过了我们的最大预期
      if(expectState < 0 || expectState > maxCount){
        log.error("state 超过预期，当前 state is {},计算出的 state is {}",state
        ,expectState);
        return false;
      }
      if(compareAndSetState(state, expectState)){
        return true;
      }
    }
  }
}

전체 코드에서 주의해야 할 점은 다음과 같습니다.

경계에 대한 판단. 입력 매개변수가 불법인지, 잠금이 해제되면 발생하지 않을까요? 불법 상태 등의 경계 문제가 예상됩니다. 이러한 문제에 대한 판단을 내리고 사고의 엄격함을 반영해야 합니다.

잠금을 해제하려면; , 동시 추가가 발생할 때 잠금을 잠그거나 해제할 때 성공적으로 재시도할 수 있도록 spin + CAS를 사용해야 합니다. Spin용으로 작성 시에는 무한 루프가 발생하지 않도록 주의가 필요하며, CAS 방식은 AQS에서 제공하는 것이므로 직접 작성하지 마십시오.

2.3.링크를 얻을 수 있는지 여부는 잠금을 얻을 수 있는지 여부에 따라 결정됩니다

잠금이 정의된 후에는 MysqlConnection이라는 Mysql 링크 도구 클래스를 작성했습니다. 주로 두 가지 큰 기능을 담당합니다:

JDBC를 통해 Mysql과의 링크 설정

요청이 너무 클 때 총 Mysql 링크 수가 10을 초과하지 않도록 잠금 기능과 결합.

먼저 MysqlConnection 초기화 코드를 살펴보겠습니다.

public class MysqlConnection {
  private final ShareLock lock;
  // maxConnectionSize 表示最大链接数
  public MysqlConnection(int maxConnectionSize) {
    lock = new ShareLock(maxConnectionSize);
  }
}

초기화 중에 최대 링크 수를 지정한 다음 이 값을 잠금에 전달해야 한다는 것을 알 수 있습니다. ShareLock 잠금 값의 상태입니다.

그런 다음 1을 완료하기 위해 비공개 메소드를 작성했습니다:

// 得到一个 mysql 链接，底层实现省略
private Connection getConnection(){}

그런 다음 2를 구현했으며 코드는 다음과 같습니다.

// 对外获取 mysql 链接的接口
// 这里不用try finally 的结构，获得锁实现底层不会有异常
// 即使出现未知异常，也无需释放锁
public Connection getLimitConnection() {
  if (lock.lock()) {
    return getConnection();
  }
  return null;
}
// 对外释放 mysql 链接的接口
public boolean releaseLimitConnection() {
  return lock.unLock();
}

逻辑也比较简单，加锁时，如果获得了锁，就能返回 Mysql 的链接，释放锁时，在链接关闭成功之后，调用 releaseLimitConnection 方法即可，此方法会把锁的 state 状态加一，表示链接被释放了。

以上步骤，针对 Mysql 链接限制的场景锁就完成了。

3、测试

锁写好了，接着我们来测试一下，我们写了一个测试的 demo，代码如下：

public static void main(String[] args) {
  log.info("模仿开始获得 mysql 链接");
  MysqlConnection mysqlConnection = new MysqlConnection(10);
  log.info("初始化 Mysql 链接最大只能获取 10 个");
  for(int i =0 ;i<12;i++){
    if(null != mysqlConnection.getLimitConnection()){
      log.info("获得第{}个数据库链接成功",i+1);
    }else {
      log.info("获得第{}个数据库链接失败：数据库连接池已满",i+1);
    }
  }
  log.info("模仿开始释放 mysql 链接");
  for(int i =0 ;i<12;i++){
    if(mysqlConnection.releaseLimitConnection()){
      log.info("释放第{}个数据库链接成功",i+1);
    }else {
      log.info("释放第{}个数据库链接失败",i+1);
    }
  }
  log.info("模仿结束");
}

以上代码逻辑如下：

获得 Mysql 链接逻辑：for 循环获取链接，1~10 都可以获得链接，11~12 获取不到链接，因为链接被用完了；释放锁逻辑：for 循环释放链接，1~10 都可以释放成功，11~12 释放失败。

我们看下运行结果，如下图：

从运行的结果，可以看出，我们实现的 ShareLock 锁已经完成了 Mysql 链接共享的场景了。

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