## 35 经验总结：各种锁在工作中使用场景和细节 ## 引导语 本章主要说一说锁在工作中的使用场景，主要以 synchronized 和 CountDownLatch 为例，会分别描述一下这两种锁的使用场景和姿势。 ### 1 synchronized synchronized 是可重入的排它锁，和 ReentrantLock 锁功能相似，任何使用 synchronized 的地方，几乎都可以使用 ReentrantLock 来代替，两者最大的相似点就是：可重入 + 排它锁，两者的区别主要有这些： 1. ReentrantLock 的功能更加丰富，比如提供了 Condition，可以打断的加锁 API、能满足锁 + 队列的复杂场景等等； 2. ReentrantLock 有公平锁和非公平锁之分，而 synchronized 都是非公平锁； 3. 两者的使用姿势也不同，ReentrantLock 需要申明，有加锁和释放锁的 API，而 synchronized 会自动对代码块进行加锁释放锁的操作，synchronized 使用起来更加方便。 synchronized 和 ReentrantLock 功能相近，所以我们就以 synchronized 举例。 #### 1.1 共享资源初始化 在分布式的系统中，我们喜欢把一些死的配置资源在项目启动的时候加锁到 JVM 内存里面去，这样请求在拿这些共享配置资源时，就可直接从内存里面拿，不必每次都从数据库中拿，减少了时间开销。 一般这样的共享资源有：死的业务流程配置 + 死的业务规则配置。 共享资源初始化的步骤一般为：项目启动 -> 触发初始化动作 ->单线程从数据库中捞取数据 -> 组装成我们需要的数据结构 -> 放到 JVM 内存中。 在项目启动时，为了防止共享资源被多次加载，我们往往会加上排它锁，让一个线程加载共享资源完成之后，另外一个线程才能继续加载，此时的排它锁我们可以选择 synchronized 或者 ReentrantLock，我们以 synchronized 为例，写了 mock 的代码，如下： ``` // 共享资源 private static final Map<String, String> SHARED_MAP = Maps.newConcurrentMap(); // 有无初始化完成的标志位 private static boolean loaded = false; /** * 初始化共享资源 */ @PostConstruct public void init(){ if(loaded){ return; } synchronized (this){ // 再次 check if(loaded){ return; } log.info("SynchronizedDemo init begin"); // 从数据库中捞取数据，组装成 SHARED_MAP 的数据格式 loaded = true; log.info("SynchronizedDemo init end"); } } ``` 不知道大家有没有从上述代码中发现 @PostConstruct 注解，@PostConstruct 注解的作用是在 Spring 容器初始化时，再执行该注解打上的方法，也就是说上图说的 init 方法触发的时机，是在 Spring 容器启动的时候。 大家可以下载演示代码，找到 DemoApplication 启动文件，在 DemoApplication 文件上右击 run，就可以启动整个 Spring Boot 项目，在 init 方法上打上断点就可以调试了。 我们在代码中使用了 synchronized 来保证同一时刻，只有一个线程可以执行初始化共享资源的操作，并且我们加了一个共享资源加载完成的标识位（loaded），来判断是否加载完成了，如果加载完成，那么其它加载线程直接返回。 如果把 synchronized 换成 ReentrantLock 也是一样的实现，只不过需要显示的使用 ReentrantLock 的 API 进行加锁和释放锁，使用 ReentrantLock 有一点需要注意的是，我们需要在 try 方法块中加锁，在 finally 方法块中释放锁，这样保证即使 try 中加锁后发生异常，在 finally 中也可以正确的释放锁。 有的同学可能会问，不是可以直接使用了 ConcurrentHashMap 么，为什么还需要加锁呢？的确 ConcurrentHashMap 是线程安全的，但它只能够保证 Map 内部数据操作时的线程安全，是无法保证多线程情况下，查询数据库并组装数据的整个动作只执行一次的，我们加 synchronized 锁住的是整个操作，保证整个操作只执行一次。 完整 demo 见 SynchronizedDemo。 ### 2 CountDownLatch #### 2.1 场景 1：小明在淘宝上买了一个商品，觉得不好，把这个商品退掉(商品还没有发货，只退钱)，我们叫做单商品退款，单商品退款在后台系统中运行时，整体耗时 30 毫秒。 2：双 11，小明在淘宝上买了 40 个商品，生成了同一个订单（实际可能会生成多个订单，为了方便描述，我们说成一个），第二天小明发现其中 30 个商品是自己冲动消费的，需要把 30 个商品一起退掉。 #### 2.2 实现 此时后台只有单商品退款的功能，没有批量商品退款的功能（30 个商品一次退我们称为批量），为了快速实现这个功能，同学 A 按照这样的方案做的：for 循环调用 30 次单商品退款的接口，在 qa 环境测试的时候发现，如果要退款 30 个商品的话，需要耗时：30 * 30 = 900 毫秒，再加上其它的逻辑，退款 30 个商品差不多需要 1 秒了，这个耗时其实算很久了，当时同学 A 提出了这个问题，希望大家帮忙看看如何优化整个场景的耗时。 同学 B 当时就提出，你可以使用线程池进行执行呀，把任务都提交到线程池里面去，假如机器的 CPU 是 4 核的，最多同时能有 4 个单商品退款可以同时执行，同学 A 觉得很有道理，于是准 备修改方案，为了便于理解，我们把两个方案都画出来，对比一下：  同学 A 于是就按照演变的方案去写代码了，过了一天，抛出了一个问题：向线程池提交了 30 个任务后，主线程如何等待 30 个任务都执行完成呢？因为主线程需要收集 30 个子任务的执行情况，并汇总返回给前端。 大家可以先不往下看，自己先思考一下，我们前几章说的那种锁可以帮助解决这个问题？ CountDownLatch 可以的，CountDownLatch 具有这种功能，让主线程去等待子任务全部执行完成之后才继续执行。 此时还有一个关键，我们需要知道子线程执行的结果，所以我们用 Runnable 作为线程任务就不行了，因为 Runnable 是没有返回值的，我们需要选择 Callable 作为任务。 我们写了一个 demo，首先我们来看一下单个商品退款的代码： ``` // 单商品退款，耗时 30 毫秒，退款成功返回 true，失败返回 false @Slf4j public class RefundDemo { /** * 根据商品 ID 进行退款 * @param itemId * @return */ public boolean refundByItem(Long itemId) { try { // 线程沉睡 30 毫秒，模拟单个商品退款过程 Thread.sleep(30); log.info("refund success,itemId is {}", itemId); return true; } catch (Exception e) { log.error("refundByItemError,itemId is {}", itemId); return false; } } } ``` 接着我们看下 30 个商品的批量退款，代码如下： ``` @Slf4j public class BatchRefundDemo { // 定义线程池 public static final ExecutorService EXECUTOR_SERVICE = new ThreadPoolExecutor(10, 10, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(20)); @Test public void batchRefund() throws InterruptedException { // state 初始化为 30 CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(30); RefundDemo refundDemo = new RefundDemo(); // 准备 30 个商品 List<Long> items = Lists.newArrayListWithCapacity(30); for (int i = 0; i < 30; i++) { items.add(Long.valueOf(i+"")); } // 准备开始批量退款 List<Future> futures = Lists.newArrayListWithCapacity(30); for (Long item : items) { // 使用 Callable，因为我们需要等到返回值 Future<Boolean> future = EXECUTOR_SERVICE.submit(new Callable<Boolean>() { @Override public Boolean call() throws Exception { boolean result = refundDemo.refundByItem(item); // 每个子线程都会执行 countDown，使 state -1 ，但只有最后一个才能真的唤醒主线程 countDownLatch.countDown(); return result; } }); // 收集批量退款的结果 futures.add(future); } log.info("30 个商品已经在退款中"); // 使主线程阻塞，一直等待 30 个商品都退款完成，才能继续执行 countDownLatch.await(); log.info("30 个商品已经退款完成"); // 拿到所有结果进行分析 List<Boolean> result = futures.stream().map(fu-> { try { // get 的超时时间设置的是 1 毫秒，是为了说明此时所有的子线程都已经执行完成了 return (Boolean) fu.get(1,TimeUnit.MILLISECONDS); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } catch (ExecutionException e) { e.printStackTrace(); } catch (TimeoutException e) { e.printStackTrace(); } return false; }).collect(Collectors.toList()); // 打印结果统计 long success = result.stream().filter(r->r.equals(true)).count(); log.info("执行结果成功{},失败{}",success,result.size()-success); } } ``` 上述代码只是大概的底层思路，真实的项目会在此思路之上加上请求分组，超时打断等等优化措施。 我们来看一下执行的结果:  从执行的截图中，我们可以明显的看到 CountDownLatch 已经发挥出了作用，主线程会一直等到 30 个商品的退款结果之后才会继续执行。 接着我们做了一个不严谨的实验（把以上代码执行很多次，求耗时平均值），通过以上代码，30 个商品退款完成之后，整体耗时大概在 200 毫秒左右。 而通过 for 循环单商品进行退款，大概耗时在 1 秒左右，前后性能相差 5 倍左右，for 循环退款的代码如下： ``` long begin1 = System.currentTimeMillis(); for (Long item : items) { refundDemo.refundByItem(item); } log.info("for 循环单个退款耗时{}",System.currentTimeMillis()-begin1); ``` 性能的巨大提升是线程池 + 锁两者结合的功劳。 ### 3 总结 本章举了实际工作中的两个小案列，看到了 CountDownLatch 和 synchronized（ReentrantLock） 是如何结合实际需求进行落地的，特别是 CountDownLatch 的案列，使用线程池 + 锁结合的方式大大提高了生产效率，所以在工作中如果你也遇到相似的场景，可以毫不犹豫地用起来。