并发理论基础-互斥锁：原子性

并发理论基础-互斥锁：原子性

01 | 导读

1、原子性

1）定义：一个或者多个操作在 CPU 执行的过程中不被中断的特性，称为“原子性”
2）容易误解：

1. 原子性问题的源头是线程切换，
2. 操作系统做线程切换是依赖 CPU 中断的，所以禁止 CPU 发生中断就能够禁止线程切换
3. 单独的1和2都没问题，如果认为禁用CPU 中断就能解决原子性问题，这就有待商酌了。

3）1个例子：32 位 CPU 上执行 long 型变量的写操，long 型变量是 64 位，在 32 位 CPU 上执行写操作会被拆分成两次写操作（写高 32 位和写低 32 位）

1. 单核，同一时刻只有一个线程执行，禁止 CPU 中断，也就是禁止了线程切换，获得 CPU 使用权的线程就可以不间断地执行，所以两次写操作一定是：要么都被执行，要么都没有被执行，具有原子性。
2. 多核，同一时刻，有可能有两个线程同时在执行，一个线程执行在 CPU-1 上，一个线程执行在 CPU-2 上，此时禁止 CPU 中断，只能保证 CPU 上的线程连续执行，并不能保证同一时刻只有一个线程执行，如果这两个线程同时写 long 型变量高 32 位的话，那就有可能出现写入和读取的数值不一致的bug问题。

2、互斥

1）定义：“同一时刻只有一个线程执行”
2）如果我们能够保证对共享变量的修改是互斥的，那么，无论是单核 CPU 还是多核 CPU，就都能保证原子性了

02 | 锁模型

1、简易锁模型

1）临界区：指一段需要互斥执行的代码
2）执行过程：

1. 进入临界区前->尝试加锁->加锁成功->执行临界区代码->解锁
2. 进入临界区前->尝试加锁->锁被占用->等待

3）不足之处：没有明确锁和要保护的资源

2、改进后的锁模型

1）改进的地方：标注临界区受保护资源R和保护资源的锁LR，将锁LR和受保护资源R建立关联关系
2）注意：锁和受保护资源间的对应关系很重要，忽略他，就会出现类似锁自家门来保护他家资产的事情

3、Java 语言的锁技术：synchronized

1）锁是一种通用的技术方案，Java 语言提供的 synchronized 关键字，就是锁的一种实现，synchronized 关键字可以用来修饰方法，也可以用来修饰代码块。
2）Java 编译器会在 synchronized 修饰的方法或代码块前后自动加上加锁 lock() 和解锁 unlock()
3）锁修饰方法的隐含规则：

1. 当修饰静态方法的时候，锁定的是当前类的 Class 对象，在上面的例子中就是 Class X；
2. 当修饰非静态方法的时候，锁定的是当前实例对象 this

03 | 锁和受保护资源的关系

1）一个合理的关系是：受保护资源和锁之间的关联关系是 N:1 的关系
2）并发领域可以用同一把锁来保护多个资源（对应现实世界的“包场”），不能用多个锁保护同一个资源。
3）锁不仅能保证原子性，还能保证可见性

04 | 小结

1）加锁能够保证执行临界区代码的互斥性，但不是随便一把锁都能有效
2）必须深入分析锁定的对象和受保护资源的关系，综合考虑受保护资源的访问路径，多方面考量才能用好互斥锁
3）synchronized 是 Java 在语言层面提供的互斥原语，其实 Java 里面还有很多其他类型的锁，但作为互斥锁，原理都是相通的。

05 | 思维导图

1、并发理论基础-互斥锁思维导图

参考文献：

[1]王宝令. Java并发编程实战[M]. 极客时间, 2019.