Java自动释放锁的三种实现方案

2024-04-02 19:55

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前言

Python 提供了 try-with-lock，不需要显式地获取和释放锁，非常方便。Java 没有这样的机制，不过我们可以自己实现这个机制。

本文以访问量统计的简化场景为例，介绍相关内容，即：

public class VisitCounter {
    @Getter
    private long visits = 0;

    public void visit() {
        visits++;
    }
}

这里的visit()方法，是线程不安全的，若多线程并发访问该方法，visits结果是错的。因此多线程下需要上锁，即：

public void safeVisit() {
    try {
        lock.lock();
        visits++;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

为避免lock... unlock的麻烦，本文提供了以下几种封装思路，仅供参考。

方案1 使用AutoCloseable

java7 开始提供的AutoCloseable接口，实现了try-with-resources功能，可以利用它来实现锁的自动释放。

public class AutoCloseableLock implements AutoCloseable{
    private final Lock lock;

    public AutoCloseableLock(Lock lock) {
        this.lock = lock;
    }

    @Override
    public void close() throws Exception {
        lock.unlock();
    }

    public void lock() {
        lock.lock();
    }

    public boolean tryLock() {
        return lock.tryLock();
    }

    public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
        lock.lockInterruptibly();
    }
}

应用：

public void safeVisit() throws Exception {
    try (AutoCloseableLock autoCloseableLock = new AutoCloseableLock(lock)) {
        autoCloseableLock.lock();
        visits++;
    } 
}

方案2 使用lambda

得益于lambda和函数式编程的使用，Java 8 开始鼓励“行为参数化”，实现了环绕执行模式。说白了，类似于代理模式，把要上锁执行的代码，放到一个lambda表达式中，在lambda之外套上try lock ... finally的外壳，由于lambda作为上锁代码的载体，是以参数形式传入的，因此具备通用性。这段文字描述的，即下面代码中的runWithLock(Runable)方法，这就是所谓的“环绕执行模式”。虽然文字描述不好理解，看代码一目了然。

public class AutoReleaseLockHolder {
    private final Lock lock;

    public AutoReleaseLockHolder(Lock lock) {
        this.lock = lock;
    }

    public void runWithLock(Runnable runnable) {
        try {
            lock.lock();
            runnable.run();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public boolean runWithTryLock(Runnable runnable) {
        try {
            boolean locked = lock.tryLock();
            if (!locked) {
                return false;
            }
            runnable.run();
            return true;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }


    public void runWithLockInterruptibly(Runnable runnable) 
                throws InterruptedException {
        try {
            lock.lockInterruptibly();
            runnable.run();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

使用：

public void safeVisit() {
    lockHolder.runWithLock(() -> visits++);
}

方案3 代理模式

通过代理模式，也可以把上锁解锁的操作独立出来，变得通用，这种方式的主要问题在于，会对整个函数上锁，锁的颗粒度较大，降低系统的并行度，从而影响系统性能。但作为思路拓展练练手。

如果对接口定义的方法做代理，可以使用java的动态代理，如果想对整个类的方法都做代理，可以使用Cglib。

（1）动态代理

创建代理对象：

public Object createAutoLockProxy(Object target) {
        Class<?>[] interfaces = target.getClass().getInterfaces();
        return Proxy.newProxyInstance(target.getClass().getClassLoader(), interfaces, (proxy, method, args) -> {
            try {
                lock.lock();
                return method.invoke(target, args);
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        });
    }

使用：

public void safeVisitCountWithDynamicProxy() throws InterruptedException {
        long total = 20000;
        int current = 10;
        IVisitCounter visit = (IVisitCounter )new DynamicLockProxy(new ReentrantLock()).createAutoLockProxy2(visitCounter);
        concurrentVisit(total, current, visit::visit);
        System.out.println("actual visits: " + visit.getVisits());
    }

（2）Cglib

创建代理对象：

public static <T> T createAutoLockObject(Class<T> objectClass, Lock lock) {
    Enhancer enhancer = new Enhancer();
    enhancer.setSuperclass(objectClass);
    enhancer.setCallback((MethodInterceptor) (obj, method, args, proxy) -> {
        try {
            lock.lock();
            return proxy.invokeSuper(obj, args);
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    });
    return (T) enhancer.create();
}

使用：

public void safeVisitCountWithCglib() throws InterruptedException {
    long total = 20000;
    int current = 10;
    Lock lock = new ReentrantLock();
    VisitCounter visitCounterProxy = CglibLockProxy.createAutoLockObject(VisitCounter.class, lock);
    concurrentVisit(total, current, visitCounterProxy::visit);
    System.out.println("actual visits: " + visitCounterProxy.getVisits());
}

Show me the code

以上几个方案的代码，我已放到GitHub上的try-with-lock-example 仓库中，大家可以去看一下源码。

动态代理的两个方案，调用方法做了简化处理，调用了其他函数，但因为与主题无关，没有放入正文，可以在源码仓库看看文中没写的代码。

另外，代码仓库中，也包含了测试，我默认用10个线程，对VisitCounter并发调用了20000次，在单线程、线程不安全访问和各种方案的加锁访问，结果如下：

total: 20000 visits: 20000
total: 20000 visits: 6739
total: 20000 visits: 20000
total: 20000 visits: 20000
total: 20000 visits: 20000
total: 20000 visits: 20000