Java重寫鎖的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)是什么

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引導(dǎo)語

有的面試官喜歡讓同學(xué)在說完鎖的原理之后，讓你重寫一個(gè)新的鎖，要求現(xiàn)場(chǎng)在白板上寫出大概的思路和代碼邏輯，這種面試題目，蠻難的，我個(gè)人覺得其側(cè)重點(diǎn)主要是兩個(gè)部分：

考察一下你對(duì)鎖原理的理解是如何來的，如果你對(duì)源碼沒有解讀過的話，只是看看網(wǎng)上的文章，或者背面試題，也是能夠說出大概的原理，但你很難現(xiàn)場(chǎng)寫出一個(gè)鎖的實(shí)現(xiàn)代碼，除非你真的看過源碼，或者有和鎖相關(guān)的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)；

我們不需要?jiǎng)?chuàng)造，我們只需要模仿 Java 鎖中現(xiàn)有的 API 進(jìn)行重寫即可。

如果你看過源碼，這道題真的很簡(jiǎn)單，你可以挑選一個(gè)你熟悉的鎖進(jìn)行模仿。

1、需求

一般自定義鎖的時(shí)候，我們都是根據(jù)需求來進(jìn)行定義的，不可能憑空定義出鎖來，說到共享鎖，大家可能會(huì)想到很多場(chǎng)景，比如說對(duì)于共享資源的讀鎖可以是共享的，比如對(duì)于數(shù)據(jù)庫鏈接的共享訪問，比如對(duì)于 Socket 服務(wù)端的鏈接數(shù)是可以共享的，場(chǎng)景有很多，我們選擇共享訪問數(shù)據(jù)庫鏈接這個(gè)場(chǎng)景來定義一個(gè)鎖。

2、詳細(xì)設(shè)計(jì)

假定(以下設(shè)想都為假定)我們的數(shù)據(jù)庫是單機(jī) mysql，只能承受 10 個(gè)鏈接，創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫鏈接時(shí)，我們是通過最原始 JDBC 的方式，我們用一個(gè)接口把用 JDBC 創(chuàng)建鏈接的過程進(jìn)行了封裝，這個(gè)接口我們命名為：創(chuàng)建鏈接接口。

共享訪問數(shù)據(jù)庫鏈接的整體要求如下：所有請(qǐng)求加在一起的 mysql 鏈接數(shù)，最大不能超過 10（包含 10），一旦超過 10，直接報(bào)錯(cuò)。

在這個(gè)背景下，我們進(jìn)行了下圖的設(shè)計(jì)：

這個(gè)設(shè)計(jì)最最關(guān)鍵的地方，就是我們通過能否獲得鎖，來決定是否可以得到 mysql 鏈接，如果能獲得鎖，那么就能得到鏈接，否則直接報(bào)錯(cuò)。

接著我們一起來看下落地的代碼：

2.1、定義鎖 

首先我們需要定義一個(gè)鎖出來，定義時(shí)需要有兩個(gè)元素：

鎖的定義：同步器 Sync；鎖對(duì)外提供的加鎖和解鎖的方法。

共享鎖的代碼實(shí)現(xiàn)如下：

// 共享不公平鎖
public class ShareLock implements Serializable{
	// 同步器
  private final Sync sync;
  // 用于確保不能超過最大值
  private final int maxCount;
  /**
   * 初始化時(shí)給同步器 sync 賦值
   * count 代表可以獲得共享鎖的最大值
   */
  public ShareLock(int count) {
    this.sync = new Sync(count);
    maxCount = count;
  }
  /**
   * 獲得鎖
   * @return true 表示成功獲得鎖，false 表示失敗
   */
  public boolean lock(){
    return sync.acquireByShared(1);
  }
  /**
   * 釋放鎖
   * @return true 表示成功釋放鎖，false 表示失敗
   */
  public boolean unLock(){
    return sync.releaseShared(1);
  }
}

從上述代碼中可以看出，加鎖和釋放鎖的實(shí)現(xiàn)，都依靠同步器 Sync 的底層實(shí)現(xiàn)。

唯一需要注意的是，鎖需要規(guī)定好 API 的規(guī)范，主要是兩方面：

API 需要什么，就是鎖在初始化的時(shí)候，你需要傳哪些參數(shù)給我，在 ShareLock 初始化時(shí)，需要傳最大可共享鎖的數(shù)目；

需要定義自身的能力，即定義每個(gè)方法的入?yún)⒑统鰠ⅰＴ?ShareLock 的實(shí)現(xiàn)中，加鎖和釋放鎖的入?yún)⒍紱]有，是方法里面寫死的 1，表示每次方法執(zhí)行，只能加鎖一次或釋放鎖一次，出參是布爾值，true 表示加鎖或釋放鎖成功，false 表示失敗，底層使用的都是 Sync 非公平鎖。

以上這種思考方式是有方法論的，就是我們?cè)谒伎家粋€(gè)問題時(shí)，可以從兩個(gè)方面出發(fā)：API 是什么？API 有什么能力？

2.2、定義同步器 Sync

Sync 直接繼承 AQS ，代碼如下：

class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
   // 表示最多有 count 個(gè)共享鎖可以獲得
  public Sync(int count) {
    setState(count);
  }
  // 獲得 i 個(gè)鎖
  public boolean acquireByShared(int i) {
    // 自旋保證 CAS 一定可以成功
    for(;;){
      if(i<=0){
        return false;
      }
      int state = getState();
      // 如果沒有鎖可以獲得，直接返回 false
      if(state <=0 ){
        return false;
      }
      int expectState = state - i;
      // 如果要得到的鎖不夠了，直接返回 false
      if(expectState < 0 ){
        return false;
      }
      // CAS 嘗試得到鎖,CAS 成功獲得鎖，失敗繼續(xù) for 循環(huán)
      if(compareAndSetState(state,expectState)){
        return true;
      }
    }
  }
  // 釋放 i 個(gè)鎖
  @Override
  protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
    for(;;){
      if(arg<=0){
        return false;
      }
      int state = getState();
      int expectState = state + arg;
      // 超過了 int 的最大值，或者 expectState 超過了我們的最大預(yù)期
      if(expectState < 0 || expectState > maxCount){
        log.error("state 超過預(yù)期，當(dāng)前 state is {},計(jì)算出的 state is {}",state
        ,expectState);
        return false;
      }
      if(compareAndSetState(state, expectState)){
        return true;
      }
    }
  }
}

整個(gè)代碼比較清晰，我們需要注意的是：

邊界的判斷，比如入?yún)⑹欠穹欠ǎ尫沛i時(shí)，會(huì)不會(huì)出現(xiàn)預(yù)期的 state 非法等邊界問題，對(duì)于此類問題我們都需要加以判斷，體現(xiàn)出思維的嚴(yán)謹(jǐn)性；

加鎖和釋放鎖，需要用 for 自旋 + CAS 的形式，來保證當(dāng)并發(fā)加鎖或釋放鎖時(shí)，可以重試成功。寫 for 自旋時(shí)，我們需要注意在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)要 return，不要造成死循環(huán)，CAS 的方法 AQS 已經(jīng)提供了，不要自己寫，我們自己寫的 CAS 方法是無法保證原子性的。

2.3、通過能否獲得鎖來決定能否得到鏈接

鎖定義好了，我們需要把鎖和獲取 Mysql 鏈接結(jié)合起來，我們寫了一個(gè) Mysql 鏈接的工具類，叫做 MysqlConnection，其主要負(fù)責(zé)兩大功能：

通過 JDBC 建立和 Mysql 的鏈接；

結(jié)合鎖，來防止請(qǐng)求過大時(shí)，Mysql 的總鏈接數(shù)不能超過 10 個(gè)。

首先我們看下 MysqlConnection 初始化的代碼：

public class MysqlConnection {
  private final ShareLock lock;
  // maxConnectionSize 表示最大鏈接數(shù)
  public MysqlConnection(int maxConnectionSize) {
    lock = new ShareLock(maxConnectionSize);
  }
}

我們可以看到，在初始化時(shí)，需要制定最大的鏈接數(shù)是多少，然后把這個(gè)數(shù)值傳遞給鎖，因?yàn)樽畲蟮逆溄訑?shù)就是 ShareLock 鎖的 state 值。

接著為了完成 1，我們寫了一個(gè) private 的方法：

// 得到一個(gè) mysql 鏈接，底層實(shí)現(xiàn)省略
private Connection getConnection(){}

然后我們實(shí)現(xiàn) 2，代碼如下：

// 對(duì)外獲取 mysql 鏈接的接口
// 這里不用try finally 的結(jié)構(gòu)，獲得鎖實(shí)現(xiàn)底層不會(huì)有異常
// 即使出現(xiàn)未知異常，也無需釋放鎖
public Connection getLimitConnection() {
  if (lock.lock()) {
    return getConnection();
  }
  return null;
}
// 對(duì)外釋放 mysql 鏈接的接口
public boolean releaseLimitConnection() {
  return lock.unLock();
}

邏輯也比較簡(jiǎn)單，加鎖時(shí)，如果獲得了鎖，就能返回 Mysql 的鏈接，釋放鎖時(shí)，在鏈接關(guān)閉成功之后，調(diào)用 releaseLimitConnection 方法即可，此方法會(huì)把鎖的 state 狀態(tài)加一，表示鏈接被釋放了。

以上步驟，針對(duì) Mysql 鏈接限制的場(chǎng)景鎖就完成了。

3、測(cè)試

鎖寫好了，接著我們來測(cè)試一下，我們寫了一個(gè)測(cè)試的 demo，代碼如下：

public static void main(String[] args) {
  log.info("模仿開始獲得 mysql 鏈接");
  MysqlConnection mysqlConnection = new MysqlConnection(10);
  log.info("初始化 Mysql 鏈接最大只能獲取 10 個(gè)");
  for(int i =0 ;i<12;i++){
    if(null != mysqlConnection.getLimitConnection()){
      log.info("獲得第{}個(gè)數(shù)據(jù)庫鏈接成功",i+1);
    }else {
      log.info("獲得第{}個(gè)數(shù)據(jù)庫鏈接失?。簲?shù)據(jù)庫連接池已滿",i+1);
    }
  }
  log.info("模仿開始釋放 mysql 鏈接");
  for(int i =0 ;i<12;i++){
    if(mysqlConnection.releaseLimitConnection()){
      log.info("釋放第{}個(gè)數(shù)據(jù)庫鏈接成功",i+1);
    }else {
      log.info("釋放第{}個(gè)數(shù)據(jù)庫鏈接失敗",i+1);
    }
  }
  log.info("模仿結(jié)束");
}

以上代碼邏輯如下：

獲得 Mysql 鏈接邏輯：for 循環(huán)獲取鏈接，1~10 都可以獲得鏈接，11~12 獲取不到鏈接，因?yàn)殒溄颖挥猛炅?；釋放鎖邏輯：for 循環(huán)釋放鏈接，1~10 都可以釋放成功，11~12 釋放失敗。

我們看下運(yùn)行結(jié)果，如下圖：

從運(yùn)行的結(jié)果，可以看出，我們實(shí)現(xiàn)的 ShareLock 鎖已經(jīng)完成了 Mysql 鏈接共享的場(chǎng)景了。

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