银行存取款模型的线程同步问题

2021-08-11 18:14:01

关于线程同步，网上也有很多资料，不过不同的人理解也不大一样，最近在研究这个问题的时候回想起大学课本上的一个经典模型，即银行存取款模型，通过这个模型，我个人感觉解释起来还是比较清楚的。本文结合自己的思考对该模型进行一个简单的模拟，阐述一下我对线程同步的理解。

场景模拟

接下来使用java对该问题进行模拟。在研究这个问题时会忽略掉现实系统中的很多其他属性，通过一个最简单的余额问题来看线程同步，这里首先创建三个类。

1.卡类，同时卡类提供三个方法，获取余额、存款以及取款。

public class Card {

    /*余额初始化*/
    private double balance;
    public Card(double balance){
        this.balance = balance;
    }

    /*获取余额方法*/
    public double Get_balance(){
        return this.balance;
    }

    /*存款方法*/
    public void deposit(double count) throws InterruptedException{
        System.out.println("存钱线程:存入金额=" + count);
        double now = balance + count;
        balance = now;
        System.out.println("存钱线程:当前金额=" + balance);
    }

    /*取款方法*/
    public void withdraw(double count) throws InterruptedException{
        System.out.println("取钱线程:取出金额=" + count);
        double now = balance - count;
        balance = now;
        System.out.println("取钱线程:当前金额=" + balance);
    }
}

然后是两个线程类，用于模拟并发操作所引入的余额问题。

2.存款线程类，存入金额100。

public class DepositThread extends Thread{
    private Card card;
    public DepositThread(Card card){
        this.card = card;
    }
    @Override
    public void run(){
        try {
            card.deposit(100);
        }
        catch(Exception e){System.out.println(e.toString());}
    }
}

3.取款线程类，取出金额50。

public class WithdrawThread extends Thread{
    private Card card;
    public WithdrawThread(Card card){
        this.card = card;
    }
    @Override
    public void run(){
        try {
            card.withdraw(50);
        }
        catch(Exception e){
            System.out.println(e.toString());
        }
    }
}

现在先进行一个测试，让存款线程先进行存钱操作，然后取款线程进行取款，最后验证余额与逻辑是否符合。

测试代码如下：

public class CardTest{
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException{
        Card card = new Card(100);
        System.out.println("操作前余额：" + card.Get_balance());
        DepositThread depositThread = new DepositThread(card);
        WithdrawThread withdrawThread = new WithdrawThread(card);
        depositThread.start();
        withdrawThread.start();
        Thread.sleep(2000);
        System.out.println("最终余额：" + card.Get_balance());
    }
}

运行后输出如下结果：

现在大致的看一下，初始余额为100，然后存款线程存入100，接下来取款线程取走50，那么最后余额为150。这么看来，貌似没问题？

数据不一致问题

事实上，存取款过程是需要消耗时间的，只要一个线程在操作余额期间受到其他线程的干扰，就可能出现数据不一致问题。这里我们修改存取款方法的代码如下。

存款方法：

    public void deposit(double count) throws InterruptedException{
        System.out.println("存钱线程:存入金额=" + count);
        double now = balance + count;
        Thread.sleep(100);    //存钱的操作用时0.1s
        balance = now;
        System.out.println("存钱线程:当前金额=" + balance);
    }

取款方法：

    public void withdraw(double count) throws InterruptedException{
        System.out.println("取钱线程:取出金额=" + count);
        double now = balance - count;
        Thread.sleep(200);    //取钱的操作用时0.2s
        balance = now;
        System.out.println("取钱线程:当前金额=" + balance);
    }
}

然后再运行一遍测试程序：

现在，我们发现最终余额变成了50，这很显然是个完全不符合预期的错误结果。那么，如何来解释这个现象呢？

从上图可以看到，出现数据不一致的原因在于多个线程并发访问了同一个对象，破坏了不可分割的操作，这里的这个共同访问对象就是余额。其实我们所谓预期的‘正确’结果，就是希望先进行存款，然后再进行取款，或者反之。

原子操作与锁

上面提到‘不可分割的操作’，这种操作就是原子操作。是因为实际上多线程编程的情境下，很多敏感数据不允许被同时访问，因此对于这种针对敏感数据的操作，需要进行线程访问的协调与控制，这就是所谓的线程同步（协同步调）访问技术。线程同步控制的结果，就是把每次对敏感数据的操作变成原子操作，从而让执行顺序按照我们预期的过程进行。
上述情境下，存款与取款应当是两个原子操作，我们必须保证先进行且完成存款操作再进行取款操作，才能保证最终数据的一致性，才能得到我们认为是‘正确’的结果。

下面我们通过锁来实现线程同步访问控制，修改Card类的代码如下。

public class Card {

    private double balance;
    private Object lock = new Object(); //锁

...省略其它代码

    /*存款*/
    public void deposit(double count) throws InterruptedException{
        System.out.println("存钱线程:存入金额=" + count);
        synchronized (lock) {
            double now = balance + count;
            Thread.sleep(100);//存钱的操作用时0.1s
            balance = now;
        }
        System.out.println("存钱线程:当前金额=" + balance);
    }

    /*取款*/
    public void withdraw(double count) throws InterruptedException{
        System.out.println("取钱线程:取出金额=" + count);
        synchronized (lock) {
            double now = balance - count;
            Thread.sleep(200);//取钱的操作用时0.2s
            balance = now;
        }
        System.out.println("取钱线程:当前金额=" + balance);
    }
}

运行结果如下：

这段代码中，通过synchronized 关键字保证lock对象只能同时被一个线程访问，要想操作余额，那么必须先获取lock对象的访问许可，因此就保证了余额不会被多个线程同时修改，而最终的结果也完全符合我们的预期。这个lock对象就可以形象的理解成锁，整个执行过程大致如下图所示，

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场景模拟

数据不一致问题

原子操作与锁

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