Java鎖優化

Bowman_han 發布于2019-08-15 18:06 / 2152人閱讀

摘要：一般情況下，可以從兩個角度進行鎖優化對單個鎖算法的優化和對鎖粒度的細分。單個鎖的優化自旋鎖非自旋鎖在未獲取鎖的情況會被阻塞，之后再喚醒嘗試獲得鎖。

Java鎖優化

應用程序在并發環境下會產生很多問題，通常情況下，我們可以通過加鎖來解決多線程對臨界資源的訪問問題。但是加鎖往往會成為系統的瓶頸，因為加鎖和釋放鎖會涉及到與操作系統的交互，會有很大的性能問題。那么這個時候基于鎖的優化手段就顯得很重要了。

一般情況下，可以從兩個角度進行鎖優化：對單個鎖算法的優化和對鎖粒度的細分。

1. 單個鎖的優化 自旋鎖：

? 非自旋鎖在未獲取鎖的情況會被阻塞，之后再喚醒嘗試獲得鎖。而JDK的阻塞和喚醒是基于操作系統實現的，會有系統資源的開銷。自旋鎖就是線程不停地循環嘗試獲得鎖，而不會將自己阻塞，這樣不會浪費系統的資源開銷，但是會浪費CPU的資源。所有現在的JDK大部分都是先自旋等待，如果自旋等待一段時間之后還沒有獲取到鎖，就會將當前線程阻塞。

鎖消除：

? 當JVM分析代碼時發現某個方法只被單個線程安全訪問，而且這個方法是同步方法，那么JVM就會去掉這個方法的鎖。

單個鎖優化的瓶頸：

? 對單個鎖優化的效果就像提高單個CPU的處理能力一樣，最終會由于各個方面的限制而達到一個平衡點，到達這個點之后優化單個鎖的對高并發下面鎖的優化效果越來越低。所以將一個鎖進行粒度細分帶來的效果會很明顯，如果一個鎖保護的代碼塊被拆分成兩個鎖來保護，那么程序的效率就大約能夠提高到2倍，這個比單個鎖的優化帶來的效果要明顯很多。常見的鎖粒度細分技術有：鎖分解和鎖分段

2. 細分鎖粒度

細分鎖粒度的目的是降低競爭鎖的概率。

2.1 鎖分解

鎖分解的核心是將無關的代碼塊，如果在一個方法中有一部分的代碼與鎖無關，一部分的代碼與鎖有關，那么可以縮小這個鎖的返回，這樣鎖操作的代碼塊就會減少，鎖競爭的可能性也會減少

縮小鎖的范圍

縮小鎖的范圍是指盡量只在必要的地方加鎖，不要擴大加鎖的范圍，就拿單例模式舉例，范圍大的鎖可能將整個方法都加鎖了：

class Singleton {
  private Singleton instance;

  private Singleton() {
  }

  // 將整個方法加鎖
  public synchronized Singleton getInstance() {
    try {
      Thread.sleep(1000);  //do something
      if(null == instance)
        instance = new Singleton();
    } catch (InterruptedException e) {
      e.printStackTrace();
    }

    return instance;
  }

}

優化后的，只將部分代碼加鎖：

class Singleton {
  private Singleton instance;

  private Singleton() {
  }

  public Singleton getInstance() {
    try {
      Thread.sleep(1000);  //do something
      // 只對部分代碼加鎖
      synchronized(this) {
        if(null == instance)
          instance = new Singleton();
      }
    } catch (InterruptedException e) {
      e.printStackTrace();
    }

    return instance;
  }
}

減少鎖的粒度

減少鎖的粒度是指如果一個鎖需要保護多個相互獨立的變量，那么可以將一個鎖分解為多個鎖，并且每個鎖保護一個變量，這樣就可以減少鎖沖突。看一下下面的例子：

class Demo{
  private Set allUsers = new HashSet();
  private Set allComputers = new HashSet();

  //公用一把鎖
  public synchronized void addUser(String user){ 
    allUsers.add(user);
  }
  
  public synchronized void addComputer(String computer){
    allComputers.add(computer);
  }
}

縮小鎖的粒度后，將一個鎖拆分為多個：

class Demo{
  private Set allUsers = new HashSet();
  private Set allComputers = new HashSet();
  
  //分解為兩把鎖
  public void addUser(String user){ 
    synchronized (allUsers){
      allUsers.add(user);
    }
  }
  
  public void addComputer(String computer){
    synchronized (allComputers){
      allComputers.add(computer);
    }
  }
}

如上的方法把一個鎖分解為2個鎖時候，采用兩個線程時候，大約能夠使程序的效率提升一倍。

2.2 鎖分段

鎖分段和縮小鎖的粒度類似，就是將鎖細分的粒度更多，比如將一個數組的每個位置當做多帶帶的鎖。JDK8以前ConcurrentHashMap就使用了鎖分段技術，它將散列數組分成多個Segment，每個Segment存儲了實際的數據，訪問數據的時候只需要對數據所在的Segment加鎖就行。

參考：

Java鎖分解鎖分段技術： http://guochenglai.com/2016/0...

ConcurrentHashMap的鎖分段技術：https://blog.csdn.net/yansong...

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