在并發(fā)編程中，鎖是保護(hù)共享資源的重要機(jī)制。然而，不正確的鎖使用可能會(huì)導(dǎo)致性能下降、死鎖等問(wèn)題。因此，對(duì)鎖進(jìn)行調(diào)優(yōu)是提高并發(fā)程序性能和穩(wěn)定性的關(guān)鍵之一。本文將介紹一些常用的鎖調(diào)優(yōu)技巧，幫助您更好地優(yōu)化并發(fā)程序性能。
1. 并發(fā)編程和鎖的概念
并發(fā)編程，簡(jiǎn)而言之，就是同時(shí)運(yùn)行多個(gè)任務(wù)。在一個(gè)具有多個(gè)處理器的系統(tǒng)中，這意味著可以同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)。而在只有一個(gè)處理器的系統(tǒng)中，雖然一次只能執(zhí)行一個(gè)任務(wù)，但由于任務(wù)之間的切換速度非?？?，給我們的感覺(jué)就像所有任務(wù)都在同時(shí)運(yùn)行。在 Java 中，我們通常使用線(xiàn)程來(lái)實(shí)現(xiàn)并發(fā)編程。了解更多并發(fā)編程的基礎(chǔ)知識(shí)，可以訪(fǎng)問(wèn)這里。
1.1. 鎖的基本概念
在并發(fā)編程中，我們常常會(huì)遇到多個(gè)線(xiàn)程同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)和修改同一份數(shù)據(jù)的情況。為了保證數(shù)據(jù)的一致性和正確性，我們需要使用到鎖的概念。鎖可以防止多個(gè)線(xiàn)程同時(shí)修改同一份數(shù)據(jù)，保證在任何時(shí)刻，只有一個(gè)線(xiàn)程能修改數(shù)據(jù)。
在 Java 中，我們主要使用兩種類(lèi)型的鎖：互斥鎖和讀寫(xiě)鎖?；コ怄i保證同一時(shí)刻只有一個(gè)線(xiàn)程能訪(fǎng)問(wèn)某一共享資源。在 Java 中，我們可以通過(guò) synchronized 關(guān)鍵字來(lái)實(shí)現(xiàn)互斥鎖。另一種鎖是讀寫(xiě)鎖，它允許多個(gè)線(xiàn)程同時(shí)讀取共享資源，但在寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，只能有一個(gè)線(xiàn)程進(jìn)行，其他所有線(xiàn)程(無(wú)論是讀線(xiàn)程還是寫(xiě)線(xiàn)程)都無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)共享資源。在 Java 中，我們可以使用 ReentrantReadWriteLock 類(lèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)鎖。
讓我們來(lái)看一個(gè)簡(jiǎn)單的互斥鎖的示例。在下面的代碼中，我們創(chuàng)建了一個(gè)對(duì)象 lock，并使用 synchronized 關(guān)鍵字對(duì)這個(gè)對(duì)象進(jìn)行加鎖。這樣，在執(zhí)行 criticalSection() 方法的過(guò)程中，只有獲得 lock 對(duì)象的鎖的線(xiàn)程才能執(zhí)行。
Object lock = new Object();
synchronized(lock) {
criticalSection();
}
對(duì)于讀寫(xiě)鎖，我們可以使用 ReentrantReadWriteLock 類(lèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)。以下是一個(gè)簡(jiǎn)單的示例：
ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
// 獲取讀鎖
lock.readLock().lock();
try {
readData();
} finally {
lock.readLock().unlock();
}
// 獲取寫(xiě)鎖
lock.writeLock().lock();
try {
writeData();
} finally {
lock.writeLock().unlock();
}
2. 鎖優(yōu)化
2.1. 概念和原理
什么是鎖優(yōu)化
鎖優(yōu)化，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是通過(guò)一些技術(shù)手段來(lái)改進(jìn)鎖的使用方式，以提高并發(fā)程序的運(yùn)行效率。這些技術(shù)手段包括但不限于：鎖粗化，鎖消除，輕量級(jí)鎖，偏向鎖等。
鎖優(yōu)化的方式
鎖粗化：這是一種將多次連續(xù)的鎖定操作合并為一次的優(yōu)化手段。假如一個(gè)線(xiàn)程在一段代碼中反復(fù)對(duì)同一個(gè)對(duì)象進(jìn)行加鎖和解鎖，那么 JVM 就會(huì)將這些鎖的范圍擴(kuò)大(粗化)，即在第一次加鎖的位置加鎖，最后一次解鎖的位置解鎖，中間的加鎖解鎖操作則被省略。鎖消除：這是一種刪除不必要的鎖操作的優(yōu)化手段。在 Java 程序中，有些鎖實(shí)際上是不必要的，例如在只會(huì)被一個(gè)線(xiàn)程使用的數(shù)據(jù)上加的鎖。JVM 在 JIT 編譯的時(shí)候，通過(guò)一種叫做逃逸分析的技術(shù)，可以檢測(cè)到這些不必要的鎖，然后將其刪除。輕量級(jí)鎖：這是一種在無(wú)競(jìng)爭(zhēng)情況下，減少不必要的重量級(jí)鎖性能消耗的優(yōu)化手段。如果在獲取鎖的時(shí)候沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)，那么 JVM 就會(huì)使用輕量級(jí)鎖。如果后續(xù)有競(jìng)爭(zhēng)出現(xiàn)，輕量級(jí)鎖就會(huì)膨脹為重量級(jí)鎖。偏向鎖：這是一種針對(duì)只有一個(gè)線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)同步代碼塊的情況的優(yōu)化手段。如果一個(gè)鎖主要被一個(gè)線(xiàn)程所獲取，那么 JVM 就會(huì)讓這個(gè)線(xiàn)程"偏向"這個(gè)鎖，后續(xù)這個(gè)線(xiàn)程再獲取這個(gè)鎖，就無(wú)需進(jìn)行額外的同步操作。這大大提高了鎖的獲取速度。3. 鎖消除
何時(shí)可以進(jìn)行鎖消除
鎖消除主要應(yīng)用在沒(méi)有多線(xiàn)程競(jìng)爭(zhēng)的情況下。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)僅在一個(gè)線(xiàn)程中使用，或者說(shuō)這個(gè)數(shù)據(jù)的作用域僅限于一個(gè)線(xiàn)程時(shí)，這個(gè)線(xiàn)程對(duì)該數(shù)據(jù)的所有操作都不需要加鎖。在 Java HotSpot VM 中，這種優(yōu)化主要是通過(guò)逃逸分析(Escape Analysis)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
為什么鎖消除有效
鎖消除之所以有效，是因?yàn)樗瞬槐匾逆i競(jìng)爭(zhēng)，從而減少了線(xiàn)程切換和線(xiàn)程調(diào)度帶來(lái)的性能開(kāi)銷(xiāo)。當(dāng)數(shù)據(jù)僅在單個(gè)線(xiàn)程中使用時(shí)，對(duì)此數(shù)據(jù)的所有操作都不需要同步。在這種情況下，鎖操作不僅不會(huì)增加安全性，反而會(huì)因?yàn)樵黾恿祟~外的執(zhí)行開(kāi)銷(xiāo)而降低程序的運(yùn)行效率。
如何在代碼中實(shí)現(xiàn)鎖消除
在代碼層面上，我們無(wú)法直接控制 JVM 進(jìn)行鎖消除優(yōu)化，這是由 JVM 的 JIT 編譯器在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)完成的。但我們可以通過(guò)編寫(xiě)高質(zhì)量的代碼，使 JIT 編譯器更容易識(shí)別出可以進(jìn)行鎖消除的場(chǎng)景。例如：
public class LockElimination {
public void appendString(String str1, String str2, String str3) {
StringBuffer sb = new StringBuffer();
sb.append(str1).append(str2).append(str3);
System.out.println(sb.toString());
}
}
在這段代碼中，StringBuffer 實(shí)例 sb 的作用域僅限于 appendString 方法。在多線(xiàn)程環(huán)境中，不同的線(xiàn)程執(zhí)行 appendString 方法會(huì)創(chuàng)建各自的 StringBuffer 實(shí)例，互不影響。因此，JIT 編譯器會(huì)發(fā)現(xiàn)這種情況并自動(dòng)消除 sb.append 操作中的鎖競(jìng)爭(zhēng)。
所以，就有了如下編碼規(guī)則：
變量作用域應(yīng)盡可能小
鎖消除是一種有效的優(yōu)化手段，它可以幫助我們消除不必要的鎖，從而提高程序的運(yùn)行效率。在日常編程中，我們應(yīng)該盡量避免在單線(xiàn)程的上下文中使用同步數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從而使得鎖消除技術(shù)得以發(fā)揮作用。
4. 鎖粗化
何時(shí)可以進(jìn)行鎖粗化
鎖粗化，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是將多個(gè)連續(xù)的鎖擴(kuò)展為一個(gè)更大范圍的鎖。也就是說(shuō)，如果 JVM 檢測(cè)到有連續(xù)的對(duì)同一對(duì)象的加鎖、解鎖操作，就會(huì)把這些加鎖、解鎖操作合并為對(duì)這段區(qū)域進(jìn)行一次連續(xù)的加鎖和解鎖。具體的示例如下：
synchronized (lock) {
// 代碼塊 1
}
// 無(wú)關(guān)代碼
synchronized (lock) {
// 代碼塊 2
}
JVM 在運(yùn)行時(shí)可能會(huì)選擇將上述兩個(gè)小的同步塊合并，形成一個(gè)大的同步塊：
synchronized (lock) {
// 代碼塊 1
// 無(wú)關(guān)代碼
// 代碼塊 2
}
為什么鎖粗化有效
加鎖和解鎖操作本身也會(huì)帶來(lái)一定的性能開(kāi)銷(xiāo)，因?yàn)槊看渭渔i和解鎖都可能會(huì)涉及到線(xiàn)程切換、線(xiàn)程調(diào)度等開(kāi)銷(xiāo)。如果有大量小的同步塊頻繁地進(jìn)行加鎖和解鎖，那么這部分開(kāi)銷(xiāo)可能會(huì)變得很大，從而降低程序的執(zhí)行效率。
通過(guò)鎖粗化，可以將多次加鎖和解鎖操作減少到一次，從而減少這部分開(kāi)銷(xiāo)，提高程序的運(yùn)行效率。
如何在代碼中實(shí)現(xiàn)鎖粗化
在代碼層面上，我們并不能直接控制 JVM 進(jìn)行鎖粗化，因?yàn)檫@是 JVM 在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)進(jìn)行的優(yōu)化。不過(guò)，我們可以在編寫(xiě)代碼時(shí)，盡量減少不必要的同步塊，避免頻繁加鎖和解鎖。這樣，就為 JVM 的鎖粗化優(yōu)化提供了可能。
鎖粗化是 JVM 提供的一種優(yōu)化手段，能夠有效地提高并發(fā)編程的效率。在我們編寫(xiě)并發(fā)代碼時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意同步塊的使用，盡量減少不必要的加鎖和解鎖，從而使得鎖粗化技術(shù)能夠發(fā)揮作用。
5. 鎖優(yōu)化與鎖粗化的選擇
鎖優(yōu)化使用場(chǎng)景
大量重入的場(chǎng)景：例如，當(dāng)一個(gè)方法大量地調(diào)用自身或者其他同步方法時(shí)，每次調(diào)用都需要加鎖、解鎖，這在極端情況下可能導(dǎo)致系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)大增。此時(shí)可以考慮使用鎖優(yōu)化。頻繁請(qǐng)求同一個(gè)鎖的場(chǎng)景：當(dāng)多個(gè)線(xiàn)程頻繁地請(qǐng)求同一個(gè)鎖時(shí)，鎖優(yōu)化可以減少鎖請(qǐng)求次數(shù)，從而提高性能。鎖粗化使用場(chǎng)景
短時(shí)間內(nèi)多次獲取和釋放同一把鎖的場(chǎng)景：如果在短時(shí)間內(nèi)，一段代碼多次獲取和釋放同一把鎖，這種情況下可以考慮使用鎖粗化，將多個(gè)連續(xù)的鎖合并為一個(gè)更大的鎖。沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)的場(chǎng)景：如果在沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)的情況下，仍然存在大量的加鎖、解鎖操作，這將導(dǎo)致不必要的性能損耗。在這種情況下，鎖粗化可以有效地減少加鎖、解鎖的次數(shù)，從而提高性能。鎖優(yōu)化和鎖粗化都是為了提高程序的并發(fā)性能。具體應(yīng)用哪種方法，需要根據(jù)實(shí)際的代碼和運(yùn)行情況進(jìn)行選擇。
6. Java 中的鎖優(yōu)化和鎖粗化
鎖優(yōu)化
在 Java 中，鎖優(yōu)化通常由 JVM 在運(yùn)行時(shí)自動(dòng)進(jìn)行，但是我們也可以通過(guò)代碼設(shè)計(jì)來(lái)促進(jìn)鎖優(yōu)化。如以下代碼：
class OptimizedLock {
private final Object lock = new Object();
public void method() {
synchronized(lock) {
// 重復(fù)代碼
}
}
}
在這個(gè)例子中，我們?cè)诜椒▋?nèi)部加了一個(gè) synchronized 塊。當(dāng)這個(gè)方法被頻繁調(diào)用時(shí)，JVM 會(huì)進(jìn)行鎖優(yōu)化，將多次對(duì)同一對(duì)象的鎖請(qǐng)求合并為一次。
鎖粗化
與鎖優(yōu)化相反，鎖粗化是將多次獲取同一把鎖的操作合并為一次，也就是將鎖的范圍擴(kuò)大，從而減少獲取鎖的次數(shù)，提高性能。如以下代碼：
class CoarseLock {
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public void method() {
lock.lock();
try {
// 代碼塊1
// 代碼塊2
// 代碼塊3
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
在這個(gè)例子中，我們通過(guò) ReentrantLock 將鎖的范圍擴(kuò)大到整個(gè)方法，減少了獲取和釋放鎖的次數(shù)。
6.1. JDK 工具鎖分析工具
JConsole
JConsole 是 JDK 自帶的 Java 監(jiān)控和管理工具，它可以幫助我們分析程序的執(zhí)行情況，包括鎖的使用。當(dāng)我們的程序運(yùn)行時(shí)，可以通過(guò) JConsole 的界面，查看每個(gè)線(xiàn)程的狀態(tài)，包括它們所持有的鎖。
Java Flight Recorder
Java Flight Recorder 是一個(gè)強(qiáng)大的診斷工具，它可以收集和分析 JVM 和應(yīng)用程序的詳細(xì)信息。Java Flight Recorder 可以幫助我們發(fā)現(xiàn)潛在的并發(fā)問(wèn)題，例如鎖競(jìng)爭(zhēng)。
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