Java 中通过 key 获取锁

一、概览

本文我们将了解如何通过特定键获取锁，以保证该键上的操作的线程安全，并且不妨碍其他键。
一般来说，我们需要实现两个方法：

void lock(String key)
void unlock(String key)
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本文以字符串作为键为例，大家可以根据实际需要改造成任意类型的键，重写 equas 和 hashCode 方法，保证唯一性即可。

二、简单的互斥锁

假设需要满足当前线程获取锁则需要执行特定代码，否则不执行这个场景。
我们可以维护一系列 Key 的 Set, 在使用时添加到 Set 中，解锁时移除对应的 Key。
此时，需要考虑线程安全问题。因此需要使用线程安全的 Set 实现，如基于 ConcurrentHashMap 的线程安全 Set。

public class SimpleExclusiveLockByKey {

    private static Set<String> usedKeys= ConcurrentHashMap.newKeySet();
    
    public boolean tryLock(String key) {
        return usedKeys.add(key);
    }
    
    public void unlock(String key) {
        usedKeys.remove(key);
    }

}
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使用案例：

String key = "key";
SimpleExclusiveLockByKey lockByKey = new SimpleExclusiveLockByKey();
try {
    lockByKey.tryLock(key);
    // 在这里添加对该 key 获取锁之后要执行的代码
} finally { // 非常关键
    lockByKey.unlock(key);
}
    

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注意一定要在 finally 代码块中解锁，以保证即便发生异常时，也可以正常解锁。

三、按键来获取和释放锁

以上代码可以保证获取锁后才执行，但无法实现未拿到锁的线程等待的效果。
有时候，我们需要让未获取到对应锁的线程等待。
流程如下：

• 第一个线程获取某个 key 的锁
• 第二个线程获取同一个 key 的锁，第二个线程需要等待
• 第一个线程释放某个 key 的锁
• 第二个线程获取该 key 的锁，然后执行其代码

3.1 使用线程计数器定义 Lock

我们可以使用 ReentrantLock 来实行线程阻塞。
我们通过内部类来封装 Lock。该类统计某个 key 上执行的线程数。暴露两个方法，一个是线程数增加，一个是减少线程数。

private static class LockWrapper {
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private final AtomicInteger numberOfThreadsInQueue = new AtomicInteger(1);

    private LockWrapper addThreadInQueue() {
        numberOfThreadsInQueue.incrementAndGet(); 
        return this;
    }

    private int removeThreadFromQueue() {
        return numberOfThreadsInQueue.decrementAndGet(); 
    }

}
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3.2 处理排队的线程

接下来继续使用 ConcurrentHashMap ， key 作为键， LockWrapper 作为值。
保证同一个 key 使用同一个 LockWrapper 中的同一把锁。

private static ConcurrentHashMap<String, LockWrapper> locks = new ConcurrentHashMap<String, LockWrapper>();
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一个线程想要获取某个 key 的锁时，需要看该 key 对应的 LockWrapper 是否已经存在。

• 如果不存在，创建一个 LockWrapper ，计数器设置为1
• 如果存在，对应的 LockWrapper 加1

public void lock(String key) {
    LockWrapper lockWrapper = locks.compute(key, (k, v) -> v == null ? new LockWrapper() : v.addThreadInQueue());
    lockWrapper.lock.lock();
}
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3.3 解锁和移除 Entry

解锁时将等待的队列减一。
当前 key 对应的线程数为 0 时，可以将其从 ConcurrentHashMap 中移除。

public void unlock(String key) {
    LockWrapper lockWrapper = locks.get(key);
    lockWrapper.lock.unlock();
    if (lockWrapper.removeThreadFromQueue() == 0) { 
        // NB : We pass in the specific value to remove to handle the case where another thread would queue right before the removal
        locks.remove(key, lockWrapper);
    }
}
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3.4 总结

最终效果如下：

public class LockByKey {
    
    private static class LockWrapper {
        private final Lock lock = new ReentrantLock();
        private final AtomicInteger numberOfThreadsInQueue = new AtomicInteger(1);
        
        private LockWrapper addThreadInQueue() {
            numberOfThreadsInQueue.incrementAndGet(); 
            return this;
        }
        
        private int removeThreadFromQueue() {
            return numberOfThreadsInQueue.decrementAndGet(); 
        }
        
    }
    
    private static ConcurrentHashMap<String, LockWrapper> locks = new ConcurrentHashMap<String, LockWrapper>();
    
    public void lock(String key) {
        LockWrapper lockWrapper = locks.compute(key, (k, v) -> v == null ? new LockWrapper() : v.addThreadInQueue());
        lockWrapper.lock.lock();
    }
    
    public void unlock(String key) {
        LockWrapper lockWrapper = locks.get(key);
        lockWrapper.lock.unlock();
        if (lockWrapper.removeThreadFromQueue() == 0) { 
            // NB : We pass in the specific value to remove to handle the case where another thread would queue right before the removal
            locks.remove(key, lockWrapper);
        }
    }
    
}
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使用示例：

String key = "key"; 
LockByKey lockByKey = new LockByKey(); 
try { 
    lockByKey.lock(key);
    // insert your code here 
} finally { // CRUCIAL 
    lockByKey.unlock(key); 
}
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四、允许同一个 key 同时多个线程运行

我们还需要考虑另外一种场景： 前面对于同一个 key 同一时刻只允许一个线程执行。如果我们想实现，对于同一个 key ，允许同时运行 n 个线程该怎么办？
为了方便理解，我们假设同一个 key 允许两个线程。

• 第一个线程想要获取 某个 key 的锁，允许
• 第二个线程也想要获取该 key 的锁，允许
• 第三个线程也想获取该 key 的锁，该线程需要等待第一个或第二个线程释放锁之后才可以执行

Semaphore 很适合这种场景。Semaphore 可以控制同时运行的线程数。

public class SimultaneousEntriesLockByKey {

    private static final int ALLOWED_THREADS = 2;
    
    private static ConcurrentHashMap<String, Semaphore> semaphores = new ConcurrentHashMap<String, Semaphore>();
    
    public void lock(String key) {
        Semaphore semaphore = semaphores.compute(key, (k, v) -> v == null ? new Semaphore(ALLOWED_THREADS) : v);
        semaphore.acquireUninterruptibly();
    }
    
    public void unlock(String key) {
        Semaphore semaphore = semaphores.get(key);
        semaphore.release();
        if (semaphore.availablePermits() == ALLOWED_THREADS) { 
            semaphores.remove(key, semaphore);
        }  
    }
    
}
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使用案例：

String key = "key"; 
SimultaneousEntriesLockByKey lockByKey = new SimultaneousEntriesLockByKey(); 
try { 
    lockByKey.lock(key); 
    // 在这里添加对该 key 获取锁之后要执行的代码
} finally { // 非常关键
    lockByKey.unlock(key); 
}
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五、结论

本文演示如何对某个 key 加锁，以保证对该 key 的并发操作限制，可以实现同一个 key 一个或者多个线程同时执行。
相关代码：https://github.com/eugenp/tutorials/tree/master/core-java-modules/core-java-concurrency-advanced-4

原文：https://www.baeldung.com/java-acquire-lock-by-key