Java重写锁的设计结构和细节是什么(java,开发技术)

引导语

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。

1、需求

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。

2、详细设计

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：

2.1、定义锁

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publicclassShareLockimplementsSerializable{ //同步器privatefinalSyncsync;//用于确保不能超过最大值privatefinalintmaxCount;/***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*/publicShareLock(intcount){this.sync=newSync(count);maxCount=count;}/***获得锁*@returntrue表示成功获得锁，false表示失败*/publicbooleanlock(){returnsync.acquireByShared(1);}/***释放锁*@returntrue表示成功释放锁，false表示失败*/publicbooleanunLock(){returnsync.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？

2.2、定义同步器 Sync

Sync 直接继承 AQS ，代码如下：

classSyncextendsAbstractQueuedSynchronizer{//表示最多有count个共享锁可以获得publicSync(intcount){setState(count);}//获得i个锁publicbooleanacquireByShared(inti){//自旋保证CAS一定可以成功for(;;){if(i<=0){returnfalse;}intstate=getState();//如果没有锁可以获得，直接返回falseif(state<=0){returnfalse;}intexpectState=state-i;//如果要得到的锁不够了，直接返回falseif(expectState<0){returnfalse;}//CAS尝试得到锁,CAS成功获得锁，失败继续for循环if(compareAndSetState(state,expectState)){returntrue;}}}//释放i个锁@OverrideprotectedbooleantryReleaseShared(intarg){for(;;){if(arg<=0){returnfalse;}intstate=getState();intexpectState=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stateis{},计算出的stateis{}",state,expectState);returnfalse;}if(compareAndSetState(state,expectState)){returntrue;}}}}

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。

2.3、通过能否获得锁来决定能否得到链接

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：

publicclassMysqlConnection{privatefinalShareLocklock;//maxConnectionSize表示最大链接数publicMysqlConnection(intmaxConnectionSize){lock=newShareLock(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privateConnectiongetConnection(){}

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tryfinally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publicConnectiongetLimitConnection(){if(lock.lock()){returngetConnection();}returnnull;}//对外释放mysql链接的接口publicbooleanreleaseLimitConnection(){returnlock.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。

3、测试

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：

publicstaticvoidmain(String[]args){log.info("模仿开始获得mysql链接");MysqlConnectionmysqlConnection=newMysqlConnection(10);log.info("初始化Mysql链接最大只能获取10个");for(inti=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(inti=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。