有的面试官喜欢让同学在说完锁的原理之后,让你重写一个新的锁,要求现场在白板上写出大概的思路和代码逻辑,这种面试题目,蛮难的,我个人觉得其侧重点主要是两个部分:
考察一下你对锁原理的理解是如何来的,如果你对源码没有解读过的话,只是看看网上的文章,或者背面试题,也是能够说出大概的原理,但你很难现场写出一个锁的实现代码,除非你真的看过源码,或者有和锁相关的项目经验;
我们不需要创造,我们只需要模仿 Java 锁中现有的 API 进行重写即可。
如果你看过源码,这道题真的很简单,你可以挑选一个你熟悉的锁进行模仿。
一般自定义锁的时候,我们都是根据需求来进行定义的,不可能凭空定义出锁来,说到共享锁,大家可能会想到很多场景,比如说对于共享资源的读锁可以是共享的,比如对于数据库链接的共享访问,比如对于 Socket 服务端的链接数是可以共享的,场景有很多,我们选择共享访问数据库链接这个场景来定义一个锁。
假定(以下设想都为假定)我们的数据库是单机 mysql,只能承受 10 个链接,创建数据库链接时,我们是通过最原始 JDBC 的方式,我们用一个接口把用 JDBC 创建链接的过程进行了封装,这个接口我们命名为:创建链接接口。
共享访问数据库链接的整体要求如下:所有请求加在一起的 mysql 链接数,最大不能超过 10(包含 10),一旦超过 10,直接报错。
在这个背景下,我们进行了下图的设计:
这个设计最最关键的地方,就是我们通过能否获得锁,来决定是否可以得到 mysql 链接,如果能获得锁,那么就能得到链接,否则直接报错。
接着我们一起来看下落地的代码:
首先我们需要定义一个锁出来,定义时需要有两个元素:
锁的定义:同步器 Sync;锁对外提供的加锁和解锁的方法。
共享锁的代码实现如下:
// 共享不公平锁 public class ShareLock implements Serializable{ // 同步器 private final Sync sync; // 用于确保不能超过最大值 private final int maxCount; /** * 初始化时给同步器 sync 赋值 * count 代表可以获得共享锁的最大值 */ public ShareLock(int count) { this.sync = new Sync(count); maxCount = count; } /** * 获得锁 * @return true 表示成功获得锁,false 表示失败 */ public boolean lock(){ return sync.acquireByShared(1); } /** * 释放锁 * @return true 表示成功释放锁,false 表示失败 */ public boolean unLock(){ return sync.releaseShared(1); } }
从上述代码中可以看出,加锁和释放锁的实现,都依靠同步器 Sync 的底层实现。
唯一需要注意的是,锁需要规定好 API 的规范,主要是两方面:
API 需要什么,就是锁在初始化的时候,你需要传哪些参数给我,在 ShareLock 初始化时,需要传最大可共享锁的数目;
需要定义自身的能力,即定义每个方法的入参和出参。在 ShareLock 的实现中,加锁和释放锁的入参都没有,是方法里面写死的 1,表示每次方法执行,只能加锁一次或释放锁一次,出参是布尔值,true 表示加锁或释放锁成功,false 表示失败,底层使用的都是 Sync 非公平锁。
以上这种思考方式是有方法论的,就是我们在思考一个问题时,可以从两个方面出发:API 是什么?API 有什么能力?
Sync 直接继承 AQS ,代码如下:
class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer { // 表示最多有 count 个共享锁可以获得 public Sync(int count) { setState(count); } // 获得 i 个锁 public boolean acquireByShared(int i) { // 自旋保证 CAS 一定可以成功 for(;;){ if(i<=0){ return false; } int state = getState(); // 如果没有锁可以获得,直接返回 false if(state <=0 ){ return false; } int expectState = state - i; // 如果要得到的锁不够了,直接返回 false if(expectState < 0 ){ return false; } // CAS 尝试得到锁,CAS 成功获得锁,失败继续 for 循环 if(compareAndSetState(state,expectState)){ return true; } } } // 释放 i 个锁 @Override protected boolean tryReleaseShared(int arg) { for(;;){ if(arg<=0){ return false; } int state = getState(); int expectState = state + arg; // 超过了 int 的最大值,或者 expectState 超过了我们的最大预期 if(expectState < 0 || expectState > maxCount){ log.error("state 超过预期,当前 state is {},计算出的 state is {}",state ,expectState); return false; } if(compareAndSetState(state, expectState)){ return true; } } } }
整个代码比较清晰,我们需要注意的是:
边界的判断,比如入参是否非法,释放锁时,会不会出现预期的 state 非法等边界问题,对于此类问题我们都需要加以判断,体现出思维的严谨性;
加锁和释放锁,需要用 for 自旋 + CAS 的形式,来保证当并发加锁或释放锁时,可以重试成功。写 for 自旋时,我们需要注意在适当的时机要 return,不要造成死循环,CAS 的方法 AQS 已经提供了,不要自己写,我们自己写的 CAS 方法是无法保证原子性的。
锁定义好了,我们需要把锁和获取 Mysql 链接结合起来,我们写了一个 Mysql 链接的工具类,叫做 MysqlConnection,其主要负责两大功能:
通过 JDBC 建立和 Mysql 的链接;
结合锁,来防止请求过大时,Mysql 的总链接数不能超过 10 个。
首先我们看下 MysqlConnection 初始化的代码:
public class MysqlConnection { private final ShareLock lock; // maxConnectionSize 表示最大链接数 public MysqlConnection(int maxConnectionSize) { lock = new ShareLock(maxConnectionSize); } }
我们可以看到,在初始化时,需要制定最大的链接数是多少,然后把这个数值传递给锁,因为最大的链接数就是 ShareLock 锁的 state 值。
接着为了完成 1,我们写了一个 private 的方法:
// 得到一个 mysql 链接,底层实现省略 private Connection getConnection(){}
然后我们实现 2,代码如下:
// 对外获取 mysql 链接的接口 // 这里不用try finally 的结构,获得锁实现底层不会有异常 // 即使出现未知异常,也无需释放锁 public Connection getLimitConnection() { if (lock.lock()) { return getConnection(); } return null; } // 对外释放 mysql 链接的接口 public boolean releaseLimitConnection() { return lock.unLock(); }
逻辑也比较简单,加锁时,如果获得了锁,就能返回 Mysql 的链接,释放锁时,在链接关闭成功之后,调用 releaseLimitConnection 方法即可,此方法会把锁的 state 状态加一,表示链接被释放了。
以上步骤,针对 Mysql 链接限制的场景锁就完成了。
锁写好了,接着我们来测试一下,我们写了一个测试的 demo,代码如下:
public static void main(String[] args) { log.info("模仿开始获得 mysql 链接"); MysqlConnection mysqlConnection = new MysqlConnection(10); log.info("初始化 Mysql 链接最大只能获取 10 个"); for(int i =0 ;i<12;i++){ if(null != mysqlConnection.getLimitConnection()){ log.info("获得第{}个数据库链接成功",i+1); }else { log.info("获得第{}个数据库链接失败:数据库连接池已满",i+1); } } log.info("模仿开始释放 mysql 链接"); for(int i =0 ;i<12;i++){ if(mysqlConnection.releaseLimitConnection()){ log.info("释放第{}个数据库链接成功",i+1); }else { log.info("释放第{}个数据库链接失败",i+1); } } log.info("模仿结束"); }
以上代码逻辑如下:
获得 Mysql 链接逻辑:for 循环获取链接,1~10 都可以获得链接,11~12 获取不到链接,因为链接被用完了;释放锁逻辑:for 循环释放链接,1~10 都可以释放成功,11~12 释放失败。
我们看下运行结果,如下图:
从运行的结果,可以看出,我们实现的 ShareLock 锁已经完成了 Mysql 链接共享的场景了。
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