quarkus依賴註入之九：bean讀寫鎖

来源:https://www.cnblogs.com/bolingcavalry/archive/2023/08/08/17608084.html
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這裡分類和彙總了欣宸的全部原創(含配套源碼)：https://github.com/zq2599/blog_demos

本篇概覽

  • 本篇是《quarkus依賴註入》的第九篇，目標是在輕鬆的氣氛中學習一個小技能：bean鎖
  • quarkus的bean鎖本身很簡單：用兩個註解修飾bean和方法即可，但涉及到多線程同步問題，欣宸願意花更多篇幅與各位Java程式員一起暢談多線程，聊個痛快，本篇由以下內容組成
  1. 關於多線程同步問題
  2. 代碼復現多線程同步問題
  3. quarkus的bean讀寫鎖

關於讀寫鎖

  • java的併發包中有讀寫鎖ReadWriteLock：在多線程場景中，如果某個對象處於改變狀態，可以用寫鎖加鎖，這樣所有做讀操作對象的線程，在獲取讀鎖時就會block住，直到寫鎖釋放
  • 為了演示bean鎖的效果，咱們先來看一個經典的多線程同步問題，如下圖，餘額100，充值10塊，扣費5塊，正常情況下最終餘額應該是105，但如果充值和扣費是在兩個線程同時進行，而且各算各的，再分別用自己的計算結果去覆蓋餘額，最終會導致計算不准確
流程圖 (2)

代碼復現多線程同步問題

  • 咱們用代碼來複現上圖中的問題，AccountBalanceService是個賬號服務類，其成員變數accountBalance表示餘額，另外有三個方法，功能分別是：
  1. get：返回餘額，相當於查詢餘額服務
  2. deposit：充值，入參是充值金額，方法內將餘額放入臨時變數，然後等待100毫秒模擬耗時操作，再將臨時變數與入參的和寫入成員變數accountBalance
  3. deduct：扣費，入參是扣費金額，方法內將餘額放入臨時變數，然後等待100毫秒模擬耗時操作，再將臨時變數與入參的差寫入成員變數accountBalance
  • AccountBalanceService.java源碼如下，deposit和deduct這兩個方法各算各的，絲毫沒有考慮當時其他線程對accountBalance的影響
package com.bolingcavalry.service.impl;

import io.quarkus.logging.Log;
import javax.enterprise.context.ApplicationScoped;

@ApplicationScoped
public class AccountBalanceService {

    // 賬戶餘額，假設初始值為100
    int accountBalance = 100;

    /**
     * 查詢餘額
     * @return
     */
    public int get() {
        // 模擬耗時的操作
        try {
            Thread.sleep(80);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return accountBalance;
    }

    /**
     * 模擬了一次充值操作，
     * 將賬號餘額讀取到本地變數，
     * 經過一秒鐘的計算後，將計算結果寫入賬號餘額，
     * 這一秒內，如果賬號餘額發生了變化，就會被此方法的本地變數覆蓋，
     * 因此，多線程的時候，如果其他線程修改了餘額，那麼這裡就會覆蓋掉，導致多線程同步問題，
     * AccountBalanceService類使用了Lock註解後，執行此方法時，其他線程執行AccountBalanceService的方法時就會block住，避免了多線程同步問題
     * @param value
     * @throws InterruptedException
     */
    public void deposit(int value) {
        // 先將accountBalance的值存入tempValue變數
        int tempValue  = accountBalance;
        Log.infov("start deposit, balance [{0}], deposit value [{1}]", tempValue, value);

        // 模擬耗時的操作
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        tempValue += value;

        // 用tempValue的值覆蓋accountBalance，
        // 這個tempValue的值是基於100毫秒前的accountBalance計算出來的，
        // 如果這100毫秒期間其他線程修改了accountBalance，就會導致accountBalance不准確的問題
        // 例如最初有100塊，這裡存了10塊，所以餘額變成了110,
        // 但是這期間如果另一線程取了5塊，那餘額應該是100-5+10=105，但是這裡並沒有靠攏100-5，而是很暴力的將110寫入到accountBalance
        accountBalance = tempValue;

        Log.infov("end deposit, balance [{0}]", tempValue);
    }

    /**
     * 模擬了一次扣費操作，
     * 將賬號餘額讀取到本地變數，
     * 經過一秒鐘的計算後，將計算結果寫入賬號餘額，
     * 這一秒內，如果賬號餘額發生了變化，就會被此方法的本地變數覆蓋，
     * 因此，多線程的時候，如果其他線程修改了餘額，那麼這裡就會覆蓋掉，導致多線程同步問題，
     * AccountBalanceService類使用了Lock註解後，執行此方法時，其他線程執行AccountBalanceService的方法時就會block住，避免了多線程同步問題
     * @param value
     * @throws InterruptedException
     */
    public void deduct(int value) {
        // 先將accountBalance的值存入tempValue變數
        int tempValue  = accountBalance;
        Log.infov("start deduct, balance [{0}], deposit value [{1}]", tempValue, value);

        // 模擬耗時的操作
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        tempValue -= value;

        // 用tempValue的值覆蓋accountBalance，
        // 這個tempValue的值是基於100毫秒前的accountBalance計算出來的，
        // 如果這100毫秒期間其他線程修改了accountBalance，就會導致accountBalance不准確的問題
        // 例如最初有100塊，這裡存了10塊，所以餘額變成了110,
        // 但是這期間如果另一線程取了5塊，那餘額應該是100-5+10=105，但是這裡並沒有靠攏100-5，而是很暴力的將110寫入到accountBalance
        accountBalance = tempValue;

        Log.infov("end deduct, balance [{0}]", tempValue);
    }
}
  • 接下來是單元測試類LockTest.java，有幾處需要註意的地方稍後會說明
package com.bolingcavalry;

import com.bolingcavalry.service.impl.AccountBalanceService;
import io.quarkus.logging.Log;
import io.quarkus.test.junit.QuarkusTest;
import org.junit.jupiter.api.Assertions;
import org.junit.jupiter.api.Test;

import javax.inject.Inject;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;

@QuarkusTest
public class LockTest {

    @Inject
    AccountBalanceService account;

    @Test
    public void test() throws InterruptedException {
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);
        int initValue = account.get();

        final int COUNT = 10;

        // 這是個只負責讀取的線程，迴圈讀10次，每讀一次就等待50毫秒
        new Thread(() -> {

            for (int i=0;i<COUNT;i++) {
                // 讀取賬號餘額
                Log.infov("current balance {0}", account.get());
            }

            latch.countDown();
        }).start();

        // 這是個充值的線程，迴圈充10次，每次存2元
        new Thread(() -> {
            for (int i=0;i<COUNT;i++) {
                account.deposit(2);
            }
            latch.countDown();
        }).start();

        // 這是個扣費的線程，迴圈扣10次，每取1元
        new Thread(() -> {
            for (int i=0;i<COUNT;i++) {
                account.deduct(1);
            }
            latch.countDown();
        }).start();

        latch.await();

        int finalValue = account.get();
        Log.infov("finally, current balance {0}", finalValue);
        Assertions.assertEquals(initValue + COUNT, finalValue);
    }
}
  • 上述代碼中，有以下幾點需要註意
  1. 在主線程中新增了三個子線程，分別執行查詢、充值、扣費的操作，可見deposit和deduct方法是並行執行的
  2. 初始餘額100，充值一共20元，扣費一共10元，因此最終正確結果應該是110元
  3. 為了確保三個子線程全部執行完畢後主線程才退出，這裡用了CountDownLatch，在執行latch.await()的時候主線程就開始等待了，等到三個子線程把各自的latch.await()都執行後，主線程才會繼續執行
  4. 最終會檢查餘額是否等於110，如果不是則單元測試不通過
  • 執行單元測試，結果如下圖，果然失敗了
image-20220417105801982
  • 來分析測試過程中的日誌，有助於我們理解問題的原因，如下圖，充值和扣費同時開始，充值先完成，此時餘額是102，但是扣費無視102，依舊使用100作為餘額去扣費，然後將扣費結果99寫入餘額，導致餘額與正確的邏輯產生差距

16

  • 反覆運行上述單元測試，可以發現每次得到的結果都不一樣，這算是典型的多線程同步問題了吧...
  • 看到這裡，經驗豐富的您應該想到了多種解決方式，例如下麵這五種都可以：
  1. 用傳統的synchronized關鍵字修飾三個方法
  2. java包的讀寫鎖
  3. deposit和deduct方法內部，不要使用臨時變數tempValue，將餘額的類型從int改成AtomicInteger，再使用addAndGet方法計算並設置
  4. 用MySQL的樂觀鎖
  5. 用Redis的分散式鎖
  • 沒錯，上述方法都能解決問題，現在除了這些，quarku還從bean的維度為我們提供了一種新的方法：bean讀寫鎖，接下來細看這個bean讀寫鎖

Container-managed Concurrency：quarkus基於bean的讀寫鎖方案

  • quarkus為bean提供了讀寫鎖方案：Lock註解，藉助它，可以為bean的所有方法添加同一把寫鎖，再手動將讀鎖添加到指定的讀方法，這樣在多線程操作的場景下，也能保證數據的正確性
  • 來看看Lock註解源碼，很簡單的幾個屬性，要重點註意的是：預設屬性為Type.WRITE，也就是寫鎖，被Lock修飾後，鎖類型有三種選擇：讀鎖，寫鎖，無鎖
@InterceptorBinding
@Inherited
@Target(value = { TYPE, METHOD })
@Retention(value = RUNTIME)
public @interface Lock {

    /**
     * 
     * @return the type of the lock
     */
    @Nonbinding
    Type value() default Type.WRITE;

    /**
     * If it's not possible to acquire the lock in the given time a {@link LockException} is thrown.
     * 
     * @see java.util.concurrent.locks.Lock#tryLock(long, TimeUnit)
     * @return the wait time
     */
    @Nonbinding
    long time() default -1l;

    /**
     * 
     * @return the wait time unit
     */
    @Nonbinding
    TimeUnit unit() default TimeUnit.MILLISECONDS;

    public enum Type {
        /**
         * Acquires the read lock before the business method is invoked.
         */
        READ,
        /**
         * Acquires the write (exclusive) lock before the business method is invoked.
         */
        WRITE,
        /**
         * Acquires no lock.
         * <p>
         * This could be useful if you need to override the behavior defined by a class-level interceptor binding.
         */
        NONE
    }

}

  • 接下來看看如何用bean鎖解AccountBalanceService的多線程同步問題

  • 為bean設置讀寫鎖很簡單，如下圖紅框1，給類添加Lock註解後，AccountBalanceService的每個方法都預設添加了寫鎖，如果想修改某個方法的鎖類型，可以像紅框2那樣指定，Lock.Type.READ表示將get方法改為讀鎖，如果不想給方法上任何鎖，就使用Lock.Type.NONE

image-20220417113205821
  • 這裡預測一下修改後的效果
  1. 在deposit和deduct都沒有被調用時，get方法可以被調用，而且可以多線程同時調用，因為每個線程都能順利拿到讀鎖
  2. 一旦deposit或者deduct被調用，其他線程在調用deposit、deduct、get方法時都被阻塞了，因為此刻不論讀鎖還是寫鎖都拿不到，必須等deposit執行完畢，它們才重新去搶鎖
  3. 有了上述邏輯，再也不會出現deposit和deduct同時修改餘額的情況了，預測單元測試應該能通過
  4. 這種讀寫鎖的方法雖然可以確保邏輯正確，但是代價不小（一個線程執行，其他線程等待），所以在併發性能要求較高的場景下要慎用，可以考慮樂觀鎖、AtomicInteger這些方式來降低等待代價
  • 再次運行單元測試，如下圖，測試通過
image-20220417120035378
  • 再來看看測試過程中的日誌，如下圖，之前的幾個方法同時執行的情況已經消失了，每個方法在執行的時候，其他線程都在等待

image-20220417120428928

  • 至此，bean鎖知識點學習完畢，希望本篇能給您一些參考，為您的併發編程中添加新的方案

源碼下載

名稱 鏈接 備註
項目主頁 https://github.com/zq2599/blog_demos 該項目在GitHub上的主頁
git倉庫地址(https) https://github.com/zq2599/blog_demos.git 該項目源碼的倉庫地址，https協議
git倉庫地址(ssh) [email protected]:zq2599/blog_demos.git 該項目源碼的倉庫地址，ssh協議
  • 這個git項目中有多個文件夾，本次實戰的源碼在quarkus-tutorials文件夾下，如下圖紅框
    image-20220312091203116
  • quarkus-tutorials是個父工程，裡面有多個module，本篇實戰的module是basic-di，如下圖紅框
    image-20220312091404031

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