Java重写锁的设计结构和细节是什么

Java重写锁的设计结构和细节是什么

这篇文章主要介绍“Java重写锁的设计结构和细节是什么”的相关知识,小编通过实际案例向大家展示操作过程,操作方法简单快捷,实用性强,希望这篇“Java重写锁的设计结构和细节是什么”文章能帮助大家解决问题。

    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:

    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publicclassShareLockimplementsSerializable{//同步器privatefinalSyncsync;//用于确保不能超过最大值privatefinalintmaxCount;/***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*/publicShareLock(intcount){this.sync=newSync(count);maxCount=count;}/***获得锁*@returntrue表示成功获得锁,false表示失败*/publicbooleanlock(){returnsync.acquireByShared(1);}/***释放锁*@returntrue表示成功释放锁,false表示失败*/publicbooleanunLock(){returnsync.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:

    classSyncextendsAbstractQueuedSynchronizer{//表示最多有count个共享锁可以获得publicSync(intcount){setState(count);}//获得i个锁publicbooleanacquireByShared(inti){//自旋保证CAS一定可以成功for(;;){if(i<=0){returnfalse;}intstate=getState();//如果没有锁可以获得,直接返回falseif(state<=0){returnfalse;}intexpectState=state-i;//如果要得到的锁不够了,直接返回falseif(expectState<0){returnfalse;}//CAS尝试得到锁,CAS成功获得锁,失败继续for循环if(compareAndSetState(state,expectState)){returntrue;}}}//释放i个锁@OverrideprotectedbooleantryReleaseShared(intarg){for(;;){if(arg<=0){returnfalse;}intstate=getState();intexpectState=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stateis{},计算出的stateis{}",state,expectState);returnfalse;}if(compareAndSetState(state,expectState)){returntrue;}}}}

    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:

    publicclassMysqlConnection{privatefinalShareLocklock;//maxConnectionSize表示最大链接数publicMysqlConnection(intmaxConnectionSize){lock=newShareLock(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privateConnectiongetConnection(){}

    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tryfinally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publicConnectiongetLimitConnection(){if(lock.lock()){returngetConnection();}returnnull;}//对外释放mysql链接的接口publicbooleanreleaseLimitConnection(){returnlock.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:

    publicstaticvoidmain(String[]args){log.info("模仿开始获得mysql链接");MysqlConnectionmysqlConnection=newMysqlConnection(10);log.info("初始化Mysql链接最大只能获取10个");for(inti=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(inti=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。

    关于“Java重写锁的设计结构和细节是什么”的内容就介绍到这里了,感谢大家的阅读。如果想了解更多行业相关的知识,可以关注恰卡编程网行业资讯频道,小编每天都会为大家更新不同的知识点。

    发布于 2022-03-13 23:40:50
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