04 | 互斥锁（下）：如何用一把锁保护多个资源？-Java并发编程实战

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04 | 互斥锁（下）：如何用一把锁保护多个资源？

在Java并发编程的广阔领域中，互斥锁（Mutex）是确保多线程环境下数据一致性和完整性的基石。上一章节我们初步探讨了互斥锁的基本概念、使用场景以及如何通过Java内置的synchronized关键字或ReentrantLock类来实现基本的互斥访问。然而，在实际应用中，我们常常面临需要一把锁来保护多个资源的情况，这要求我们在设计并发控制策略时更加细致和周全。本章将深入探讨如何在复杂场景下，使用一把锁来有效保护多个资源，避免死锁、活锁及性能瓶颈等问题。

一、引言

在多线程程序中，如果多个线程需要同时访问并修改多个共享资源，而这些资源的状态变化之间存在依赖关系，那么仅仅为每个资源单独加锁可能不足以保证数据的一致性和完整性。例如，在一个银行转账系统中，如果从一个账户扣款和向另一个账户存款被视为两个独立的操作，并分别用两把锁保护，那么在极端情况下可能会出现一个账户扣款成功但另一个账户存款失败的情况，导致资金不一致。因此，我们需要一种机制来确保这些相关操作能够作为一个整体被同步执行，即使用一把锁来保护多个资源。

二、一把锁保护多个资源的策略

2.1 单一锁策略

最简单直接的方法是为所有需要保护的资源使用同一把锁。这种策略易于实现，但在高并发场景下可能成为性能瓶颈，因为所有访问这些资源的线程都必须竞争同一把锁。此外，如果锁持有时间过长，还可能导致其他线程饥饿。

示例代码：

public class BankAccount {
    private final Object lock = new Object();
    private double balance;
    public void transfer(BankAccount toAccount, double amount) {
        synchronized (lock) {
            if (this.balance >= amount) {
                this.balance -= amount;
                toAccount.transferIn(amount, lock); // 假设toAccount也使用相同的lock
            }
        }
    }
    private void transferIn(double amount, Object lock) {
        synchronized (lock) {
            this.balance += amount;
        }
    }
}

注意：在上面的示例中，虽然transferIn方法也接受了一个锁对象作为参数，但在实际应用中，如果两个账户实例都使用相同的锁对象，则可以直接在transfer方法中完成所有操作，无需额外传递锁。

2.2 锁分段技术

对于大量资源的并发访问，单一锁策略可能导致严重的性能问题。锁分段技术通过将资源分成多个段，每段使用独立的锁来保护，从而减小锁的竞争范围，提高并发性能。这种技术适用于资源可以逻辑上分为多个独立部分，且各部分之间操作互不干扰的场景。

示例概念：

假设有一个大型的哈希表，可以将其分成多个段（segment），每个段使用独立的锁。当线程需要访问哈希表中的某个元素时，首先确定该元素属于哪个段，然后仅对该段的锁进行加锁操作。

2.3 锁粒度调整

锁粒度是指锁保护的数据范围大小。粗粒度锁（如单一锁策略）保护的数据范围大，竞争激烈但管理简单；细粒度锁（如锁分段）保护的数据范围小，竞争减少但管理复杂。在实际应用中，应根据具体场景和需求灵活调整锁粒度，以达到性能和一致性的最佳平衡。

三、避免死锁与活锁

在使用一把锁保护多个资源时，尤其需要注意避免死锁和活锁的发生。

3.1 死锁

死锁是指两个或两个以上的线程在执行过程中，因争夺资源而造成的一种相互等待的现象，若无外力作用，这些线程都将无法向前推进。避免死锁的一种有效方法是确保所有线程以相同的顺序获取锁，或者使用锁超时机制来中断长时间等待锁的线程。

3.2 活锁

活锁与死锁不同，它指的是线程之间不断地相互谦让，导致没有线程能够执行。这通常发生在多线程尝试以某种方式“合作”完成任务，但它们的执行顺序不断被对方的谦让行为打断。避免活锁的一种方法是引入随机等待时间或优先级策略，以减少线程间的无谓谦让。

四、性能优化

在使用一把锁保护多个资源时，性能优化是不可或缺的一环。以下是一些常见的优化策略：

减少锁的范围：只在真正需要同步的代码块内加锁，避免将锁的范围扩大到不必要的操作。
锁降级与升级：根据操作的需要，动态地调整锁的粒度，以减少锁的竞争。
读写分离锁：对于读多写少的资源，可以使用读写锁（ReentrantReadWriteLock）来优化性能，允许多个读线程同时访问资源，而写线程则独占访问权。
使用无锁编程：在某些场景下，如果资源状态的变化可以通过原子操作来保证，那么可以考虑使用无锁编程技术，如原子变量（AtomicInteger、AtomicReference等），以进一步提高性能。

五、总结

在Java并发编程中，使用一把锁来保护多个资源是一种常见的需求，但也需要谨慎处理以避免死锁、活锁及性能瓶颈等问题。通过选择合适的锁策略、调整锁粒度、优化锁的使用方式以及采用无锁编程技术，我们可以在保证数据一致性和完整性的同时，最大限度地提升程序的并发性能。希望本章的内容能够为您在Java并发编程实践中提供有益的参考和启示。