Java 自動釋放鎖的幾種實現

Gevin發表於2022-06-02
Java

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Python 提供了 try-with-lock，不需要顯式地獲取和釋放鎖，非常方便。Java 沒有這樣的機制，不過我們可以自己實現這個機制。

本文以訪問量統計的簡化場景為例，介紹相關內容，即：

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

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

這裡的visit()方法，是執行緒不安全的，若多執行緒併發訪問該方法，visits結果是錯的。因此多執行緒下需要上鎖，即：

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

為避免lock... unlock的麻煩，本文提供了以下幾種封裝思路，僅供參考。

方案1 使用AutoCloseable

java7 開始提供的AutoCloseable介面，實現了try-with-resources功能，可以利用它來實現鎖的自動釋放。

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();
    }
}

應用：

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

方案2 使用lambda

得益於lambda和函數語言程式設計的使用，Java 8 開始鼓勵“行為引數化”，實現了環繞執行模式。說白了，類似於代理模式，把要上鎖執行的程式碼，放到一個lambda表示式中，在lambda之外套上try lock ... finally的外殼，由於lambda作為上鎖程式碼的載體，是以引數形式傳入的，因此具備通用性。這段文字描述的，即下面程式碼中的runWithLock(Runable)方法，這就是所謂的“環繞執行模式”。雖然文字描述不好理解，看程式碼一目瞭然。

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

透過代理模式，也可以把上鎖解鎖的操作獨立出來，變得通用，這種方式的主要問題在於，會對整個函式上鎖，鎖的顆粒度較大，降低系統的並行度，從而影響系統效能。 但作為思路擴充練練手。

如果對介面定義的方法做代理，可以使用java的動態代理，如果想對整個類的方法都做代理，可以使用Cglib。

（1）動態代理

建立代理物件：

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

建立代理物件：

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

以上幾個方案的程式碼，我已放到GitHub上的try-with-lock-example 倉庫中，大家可以去看一下原始碼。

動態代理的兩個方案，呼叫方法做了簡化處理，呼叫了其他函式，但因為與主題無關，沒有放入正文，可以在原始碼倉庫看看文中沒寫的程式碼。

另外，程式碼倉庫中，也包含了測試，我預設用10個執行緒，對VisitCounter併發呼叫了20000次，在單執行緒、執行緒不安全訪問和各種方案的加鎖訪問，結果如下：

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

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