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首页Javajava教程Java重写锁的设计结构和细节是什么

    引导语

    有的面试官喜欢让同学在说完锁的原理之后,让你重写一个新的锁,要求现场在白板上写出大概的思路和代码逻辑,这种面试题目,蛮难的,我个人觉得其侧重点主要是两个部分:

    考察一下你对锁原理的理解是如何来的,如果你对源码没有解读过的话,只是看看网上的文章,或者背面试题,也是能够说出大概的原理,但你很难现场写出一个锁的实现代码,除非你真的看过源码,或者有和锁相关的项目经验;

    我们不需要创造,我们只需要模仿 Java 锁中现有的 API 进行重写即可。

    如果你看过源码,这道题真的很简单,你可以挑选一个你熟悉的锁进行模仿。

    1、需求

    一般自定义锁的时候,我们都是根据需求来进行定义的,不可能凭空定义出锁来,说到共享锁,大家可能会想到很多场景,比如说对于共享资源的读锁可以是共享的,比如对于数据库链接的共享访问,比如对于 Socket 服务端的链接数是可以共享的,场景有很多,我们选择共享访问数据库链接这个场景来定义一个锁。

    2、详细设计

    假定(以下设想都为假定)我们的数据库是单机 mysql,只能承受 10 个链接,创建数据库链接时,我们是通过最原始 JDBC 的方式,我们用一个接口把用 JDBC 创建链接的过程进行了封装,这个接口我们命名为:创建链接接口。

    共享访问数据库链接的整体要求如下:所有请求加在一起的 mysql 链接数,最大不能超过 10(包含 10),一旦超过 10,直接报错。

    在这个背景下,我们进行了下图的设计:

    Java重写锁的设计结构和细节是什么

    这个设计最最关键的地方,就是我们通过能否获得锁,来决定是否可以得到 mysql 链接,如果能获得锁,那么就能得到链接,否则直接报错。

    接着我们一起来看下落地的代码:

    2.1、定义锁 

    首先我们需要定义一个锁出来,定义时需要有两个元素:

    锁的定义:同步器 Sync;锁对外提供的加锁和解锁的方法。

    共享锁的代码实现如下:

    // 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);
      }
    }

    从上述代码中可以看出,加锁和释放锁的实现,都依靠同步器 Sync 的底层实现。

    唯一需要注意的是,锁需要规定好 API 的规范,主要是两方面:

    API 需要什么,就是锁在初始化的时候,你需要传哪些参数给我,在 ShareLock 初始化时,需要传最大可共享锁的数目;

    需要定义自身的能力,即定义每个方法的入参和出参。在 ShareLock 的实现中,加锁和释放锁的入参都没有,是方法里面写死的 1,表示每次方法执行,只能加锁一次或释放锁一次,出参是布尔值,true 表示加锁或释放锁成功,false 表示失败,底层使用的都是 Sync 非公平锁。

    以上这种思考方式是有方法论的,就是我们在思考一个问题时,可以从两个方面出发:API 是什么?API 有什么能力?

    2.2、定义同步器 Sync

    Sync 直接继承 AQS ,代码如下:

    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;
          }
        }
      }
    }

    整个代码比较清晰,我们需要注意的是:

    边界的判断,比如入参是否非法,释放锁时,会不会出现预期的 state 非法等边界问题,对于此类问题我们都需要加以判断,体现出思维的严谨性;

    加锁和释放锁,需要用 for 自旋 + CAS 的形式,来保证当并发加锁或释放锁时,可以重试成功。写 for 自旋时,我们需要注意在适当的时机要 return,不要造成死循环,CAS 的方法 AQS 已经提供了,不要自己写,我们自己写的 CAS 方法是无法保证原子性的。

    2.3、通过能否获得锁来决定能否得到链接

    锁定义好了,我们需要把锁和获取 Mysql 链接结合起来,我们写了一个 Mysql 链接的工具类,叫做 MysqlConnection,其主要负责两大功能:

    通过 JDBC 建立和 Mysql 的链接;

    结合锁,来防止请求过大时,Mysql 的总链接数不能超过 10 个。

    首先我们看下 MysqlConnection 初始化的代码:

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

    我们可以看到,在初始化时,需要制定最大的链接数是多少,然后把这个数值传递给锁,因为最大的链接数就是 ShareLock 锁的 state 值。

    接着为了完成 1,我们写了一个 private 的方法:

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

    然后我们实现 2,代码如下:

    // 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:

    Java重写锁的设计结构和细节是什么

    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。

    以上是Java重写锁的设计结构和细节是什么的详细内容。更多信息请关注PHP中文网其他相关文章!

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