Key锁

java中的几种锁：synchronized，ReentrantLock，ReentrantReadWriteLock已基本可以满足编程需求，但其粒度都太大，同一时刻只有一个线程能进入同步块，这对于某些高并发的场景并不适用。本文实现了一个基于KEY（主键）的互斥锁，具有更细的粒度，在缓存或其他基于KEY的场景中有很大的用处。下面将讲解这个锁的设计和实现

（关于这个锁的讨论贴：KeyLock讨论贴-CSDN）

 

设想这么一个场景：转账

 

	private int[] accounts; // 账户数组，其索引为账户ID，内容为金额
	
	public boolean transfer(int from, int to, int money) {
		if (accounts[from] < money)
			return false;
		accounts[from] -= money;
		accounts[to] += money;
		return true;
	}

 从from中转出金额到to中。可能同时会有很多个线程同时调用这个转账方法，为保证原子性，保证金额不会出错，必须为这个方法加个锁，防止对共享变量accounts的并发修改。

 

 

 

加锁后的代码如下：

	private int[] accounts; // 账户数组，其索引为账户ID，内容为金额
	private Lock lock = new ReentrantLock();

	public boolean transfer(int from, int to, int money) {
		lock.lock();
		try {
			if (accounts[from] < money)
				return false;
			accounts[from] -= money;
			accounts[to] += money;
			return true;
		} finally {
			lock.unlock();
		}
	}

 好了，加锁后这个代码就能保证金额不出错了。但问题又出现了，一次只能执行一个转账过程！意思就是A给B转账的时候，C要给D转账也得等A给B转完了才能开始转。这就有点扯蛋了，就像只有一个柜台，所有人必须排队等前面的处理完了才能到自己，效率太低。

 

 

解决这种情况有一个方案：A给B转账的时候只锁定A和B的账户，使其转账期间不能再有其他针对A和B账户的操作，但其他账户的操作可以并行发生。类似于如下场景：

	public boolean transfer(int from, int to, int money) {
		lock.lock(from, to);
		try {
			if (accounts[from] < money)
				return false;
			accounts[from] -= money;
			accounts[to] += money;
			return true;
		} finally {
			lock.unlock(from, to);
		}
	}

 但很显然，JAVA并没有为我们提供这样的锁（也有可能是我没找到。。。）

 

 

于是，就在这样的需求下我花了整一天来实现了这个锁——KeyLock（代码量很短，但多线程的东西真的很让人头疼）

不同于synchronized等锁，KeyLock是对所需处理的数据的KEY（主键）进行加锁，只要是对不同key操作，其就可以并行处理，大大提高了线程的并行度（最后有几个锁的对比测试）

总结下就是：对相同KEY操作的线程互斥，对不同KEY操作的线程可以并行

 

KeyLock有如下几个特性：

    1、细粒度，高并行性
    2、可重入
    3、公平锁
    4、加锁开销比ReentrantLock大，适用于处理耗时长、key范围大的场景

 

KeyLock代码如下（注释很少，因为我也不知道该怎么写清楚，能看懂就看，懒得看的直接用就行）：

public class KeyLock<K> {
	// 保存所有锁定的KEY及其信号量
	private final ConcurrentMap<K, Semaphore> map = new ConcurrentHashMap<K, Semaphore>();
	// 保存每个线程锁定的KEY及其锁定计数
	private final ThreadLocal<Map<K, LockInfo>> local = new ThreadLocal<Map<K, LockInfo>>() {
		@Override
		protected Map<K, LockInfo> initialValue() {
			return new HashMap<K, LockInfo>();
		}
	};

	/**
	 * 锁定key，其他等待此key的线程将进入等待，直到调用{@link #unlock(K)}
	 * 使用hashcode和equals来判断key是否相同，因此key必须实现{@link #hashCode()}和
	 * {@link #equals(Object)}方法
	 * 
	 * @param key
	 */
	public void lock(K key) {
		if (key == null)
			return;
		LockInfo info = local.get().get(key);
		if (info == null) {
			Semaphore current = new Semaphore(1);
			current.acquireUninterruptibly();
			Semaphore previous = map.put(key, current);
			if (previous != null)
				previous.acquireUninterruptibly();
			local.get().put(key, new LockInfo(current));
		} else {
			info.lockCount++;
		}
	}
	
	/**
	 * 释放key，唤醒其他等待此key的线程
	 * @param key
	 */
	public void unlock(K key) {
		if (key == null)
			return;
		LockInfo info = local.get().get(key);
		if (info != null && --info.lockCount == 0) {
			info.current.release();
			map.remove(key, info.current);
			local.get().remove(key);
		}
	}

	/**
	 * 锁定多个key
	 * 建议在调用此方法前先对keys进行排序，使用相同的锁定顺序，防止死锁发生
	 * @param keys
	 */
	public void lock(K[] keys) {
		if (keys == null)
			return;
		for (K key : keys) {
			lock(key);
		}
	}

	/**
	 * 释放多个key
	 * @param keys
	 */
	public void unlock(K[] keys) {
		if (keys == null)
			return;
		for (K key : keys) {
			unlock(key);
		}
	}

	private static class LockInfo {
		private final Semaphore current;
		private int lockCount;

		private LockInfo(Semaphore current) {
			this.current = current;
			this.lockCount = 1;
		}
	}
}

 KeyLock使用示例：

 

	private int[] accounts;
	private KeyLock<Integer> lock = new KeyLock<Integer>();
	
	public boolean transfer(int from, int to, int money) {
		Integer[] keys = new Integer[] {from, to};
		Arrays.sort(keys); //对多个key进行排序，保证锁定顺序防止死锁
		lock.lock(keys);
		try {
			//处理不同的from和to的线程都可进入此同步块
			if (accounts[from] < money)
				return false;
			accounts[from] -= money;
			accounts[to] += money;
			return true;
		} finally {
			lock.unlock(keys);
		}
	}

 好，工具有了，接下来就是测试了，为了测出并行度，我把转账过程延长了，加了个sleep(2)，使每个转账过程至少要花2毫秒（这只是个demo，真实环境下对数据库操作也很费时）。

 

 

测试代码如下：

//场景：多线程并发转账
public class Test {
	private final int[] account; // 账户数组，其索引为账户ID，内容为金额

	public Test(int count, int money) {
		account = new int[count];
		Arrays.fill(account, money);
	}

	boolean transfer(int from, int to, int money) {
		if (account[from] < money)
			return false;
		account[from] -= money;
		try {
			Thread.sleep(2);
		} catch (Exception e) {
		}
		account[to] += money;
		return true;
	}
	
	int getAmount() {
		int result = 0;
		for (int m : account)
			result += m;
		return result;
	}

	public static void main(String[] args) throws Exception {
		int count = 100;		//账户个数
		int money = 10000;		//账户初始金额
		int threadNum = 8;		//转账线程数
		int number = 10000;		//转账次数
		int maxMoney = 1000;	//随机转账最大金额
		Test test = new Test(count, money);
		
		//不加锁
//		Runner runner = test.new NonLockRunner(maxMoney, number);
		//加synchronized锁
//		Runner runner = test.new SynchronizedRunner(maxMoney, number);
		//加ReentrantLock锁
//		Runner runner = test.new ReentrantLockRunner(maxMoney, number);
		//加KeyLock锁
		Runner runner = test.new KeyLockRunner(maxMoney, number);
		
		Thread[] threads = new Thread[threadNum];
		for (int i = 0; i < threadNum; i++)
			threads[i] = new Thread(runner, "thread-" + i);
		long begin = System.currentTimeMillis();
		for (Thread t : threads)
			t.start();
		for (Thread t : threads)
			t.join();
		long time = System.currentTimeMillis() - begin;
		System.out.println("类型：" + runner.getClass().getSimpleName());
		System.out.printf("耗时：%dms\n", time);
		System.out.printf("初始总金额：%d\n", count * money);
		System.out.printf("终止总金额：%d\n", test.getAmount());
	}

	// 转账任务
	abstract class Runner implements Runnable {
		final int maxMoney;
		final int number;
		private final Random random = new Random();
		private final AtomicInteger count = new AtomicInteger();

		Runner(int maxMoney, int number) {
			this.maxMoney = maxMoney;
			this.number = number;
		}

		@Override
		public void run() {
			while(count.getAndIncrement() < number) {
				int from = random.nextInt(account.length);
				int to;
				while ((to = random.nextInt(account.length)) == from)
					;
				int money = random.nextInt(maxMoney);
				doTransfer(from, to, money);
			}
		}

		abstract void doTransfer(int from, int to, int money);
	}

	// 不加锁的转账
	class NonLockRunner extends Runner {
		NonLockRunner(int maxMoney, int number) {
			super(maxMoney, number);
		}

		@Override
		void doTransfer(int from, int to, int money) {
			transfer(from, to, money);
		}
	}

	// synchronized的转账
	class SynchronizedRunner extends Runner {
		SynchronizedRunner(int maxMoney, int number) {
			super(maxMoney, number);
		}

		@Override
		synchronized void doTransfer(int from, int to, int money) {
			transfer(from, to, money);
		}
	}

	// ReentrantLock的转账
	class ReentrantLockRunner extends Runner {
		private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

		ReentrantLockRunner(int maxMoney, int number) {
			super(maxMoney, number);
		}

		@Override
		void doTransfer(int from, int to, int money) {
			lock.lock();
			try {
				transfer(from, to, money);
			} finally {
				lock.unlock();
			}
		}
	}

	// KeyLock的转账
	class KeyLockRunner extends Runner {
		private final KeyLock<Integer> lock = new KeyLock<Integer>();

		KeyLockRunner(int maxMoney, int number) {
			super(maxMoney, number);
		}

		@Override
		void doTransfer(int from, int to, int money) {
			Integer[] keys = new Integer[] {from, to};
			Arrays.sort(keys);
			lock.lock(keys);
			try {
				transfer(from, to, money);
			} finally {
				lock.unlock(keys);
			}
		}
	}
}

 最最重要的测试结果：

 

 

（8线程对100个账户随机转账总共10000次）：

       类型：NonLockRunner（不加锁）
       耗时：2482ms
       初始总金额：1000000
       终止总金额：998906（无法保证原子性）

       类型：SynchronizedRunner（加synchronized锁）
       耗时：20872ms
       初始总金额：1000000
       终止总金额：1000000

       类型：ReentrantLockRunner（加ReentrantLock锁）
       耗时：21588ms
       初始总金额：1000000
       终止总金额：1000000

       类型：KeyLockRunner（加KeyLock锁）
       耗时：2831ms
       初始总金额：1000000
       终止总金额：1000000

 

转载：http://blog.csdn.net/icebamboo_moyun/article/details/9391915