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JAVA中的多线程代码,性能怎么优化!

武飞扬头像
小姐姐味道
帮助28

前言

Java 中最烦人的,就是多线程,一不小心,代码写的比单线程还慢,这就让人非常尴尬。

通常情况下,我们会使用 ThreadLocal 实现线程封闭,比如避免 SimpleDateFormat 在并发环境下所引起的一些不一致情况。其实还有一种解决方式。通过对parse方法进行加锁,也能保证日期处理类的正确运行,代码如图。

image.png

1. 锁很坏

但是,锁这个东西,很坏。就像你的贞操锁,一开一闭热情早已烟消云散。

所以,锁对性能的影响,是非常大的。对资源加锁以后,资源就被加锁的线程所独占,其他的线程就只能排队等待这个锁。此时,程序由并行执行,变相的变成了顺序执行,执行速度自然就降低了。

下面是开启了50个线程,使用ThreadLocal和同步锁方式性能的一个对比。

Benchmark                                 Mode  Cnt     Score      Error   Units
SynchronizedNormalBenchmark.sync         thrpt   10  2554.628 ± 5098.059  ops/ms
SynchronizedNormalBenchmark.threadLocal  thrpt   10  3750.902 ±  103.528  ops/ms
========去掉业务影响========  
Benchmark                                 Mode  Cnt        Score        Error   Units
SynchronizedNormalBenchmark.sync         thrpt   10    26905.514 ±   1688.600  ops/ms
SynchronizedNormalBenchmark.threadLocal  thrpt   10  7041876.244 ± 355598.686  ops/ms

可以看到,使用同步锁的方式,性能是比较低的。如果去掉业务本身逻辑的影响(删掉执行逻辑),这个差异会更大。代码执行的次数越多,锁的累加影响越大,对锁本身的速度优化,是非常重要的。

我们都知道,Java 中有两种加锁的方式,一种就是常见的synchronized 关键字,另外一种,就是使用 concurrent 包里面的 Lock。针对于这两种锁,JDK 自身做了很多的优化,它们的实现方式也是不同的。

2. synchronied原理

synchronized关键字给代码或者方法上锁时,都有显示的或者隐藏的上锁对象。当一个线程试图访问同步代码块时,它首先必须得到锁,退出或抛出异常时必须释放锁。

  • 给普通方法加锁时,上锁的对象是this

  • 给静态方法加锁时,锁的是class对象。

  • 给代码块加锁,可以指定一个具体的对象作为锁

monitor,在操作系统里,其实就叫做管程。

那么,synchronized 在字节码中,是怎么体现的呢?参照下面的代码,在命令行执行javac,然后再执行javap -v -p,就可以看到它具体的字节码。可以看到,在字节码的体现上,它只给方法加了一个flag:ACC_SYNCHRONIZED

synchronized void syncMethod() {
  System.out.println("syncMethod");
}
======字节码=====
synchronized void syncMethod();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_SYNCHRONIZED
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: getstatic     #4                 
         3: ldc           #5                         
         5: invokevirtual #6           
         8: return

我们再来看下同步代码块的字节码。可以看到,字节码是通过monitorentermonitorexit两个指令进行控制的。

void syncBlock(){
    synchronized (Test.class){
    }
}
======字节码======
void syncBlock();
    descriptor: ()V
    flags:
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         0: ldc           #2 
         2: dup
         3: astore_1
         4: monitorenter
         5: aload_1
         6: monitorexit
         7: goto          15
        10: astore_2
        11: aload_1
        12: monitorexit
        13: aload_2
        14: athrow
        15: return
      Exception table:
         from    to  target type
             5     7    10   any
            10    13    10   any

这两者虽然显示效果不同,但他们都是通过monitor来实现同步的。我们可以通过下面这张图,来看一下monitor的原理。

注意了,下面是面试题目高发地。

image.png

如图所示,我们可以把运行时的对象锁抽象的分成三部分。其中,EntrySet 和WaitSet 是两个队列,中间虚线部分是当前持有锁的线程。我们可以想象一下线程的执行过程。

当第一个线程到来时,发现并没有线程持有对象锁,它会直接成为活动线程,进入 RUNNING 状态。

接着又来了三个线程,要争抢对象锁。此时,这三个线程发现锁已经被占用了,就先进入 EntrySet 缓存起来,进入 BLOCKED 状态。此时,从jstack命令,可以看到他们展示的信息都是waiting for monitor entry

"http-nio-8084-exec-120" #143 daemon prio=5 os_prio=31 cpu=122.86ms elapsed=317.88s tid=0x00007fedd8381000 nid=0x1af03 waiting for monitor entry  [0x00007000150e1000]
   java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
    at java.io.BufferedInputStream.read(java.base@13.0.1/BufferedInputStream.java:263)
    - waiting to lock <0x0000000782e1b590> (a java.io.BufferedInputStream)
    at org.apache.commons.httpclient.HttpParser.readRawLine(HttpParser.java:78)
    at org.apache.commons.httpclient.HttpParser.readLine(HttpParser.java:106)
    at org.apache.commons.httpclient.HttpConnection.readLine(HttpConnection.java:1116)
    at org.apache.commons.httpclient.HttpMethodBase.readStatusLine(HttpMethodBase.java:1973)
    at org.apache.commons.httpclient.HttpMethodBase.readResponse(HttpMethodBase.java:1735)

处于活动状态的线程,执行完毕退出了;或者由于某种原因执行了wait 方法,释放了对象锁,就会进入 WaitSet 队列。这就是在调用wait之前,需要先获得对象锁的原因。就像下面的代码:

synchronized (lock){
    try {
         lock.wait();
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

此时,jstack显示的线程状态是 WAITING 状态,而原因是in Object.wait()

"wait-demo" #12 prio=5 os_prio=31 cpu=0.14ms elapsed=12.58s tid=0x00007fb66609e000 nid=0x6103 in Object.wait()  [0x000070000f2bd000]
   java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)
    at java.lang.Object.wait(java.base@13.0.1/Native Method)
    - waiting on <0x0000000787b48300> (a java.lang.Object)
    at java.lang.Object.wait(java.base@13.0.1/Object.java:326)
    at WaitDemo.lambda$main$0(WaitDemo.java:7)
    - locked <0x0000000787b48300> (a java.lang.Object)
    at WaitDemo$$Lambda$14/0x0000000800b44840.run(Unknown Source)
    at java.lang.Thread.run(java.base@13.0.1/Thread.java:830)

发生了这两种情况,都会造成对象锁的释放。进而导致 EntrySet里的线程重新争抢对象锁,成功抢到锁的线程成为活动线程,这是一个循环的过程。

那 WaitSet 中的线程是如何再次被激活的呢?接下来,在某个地方,执行了锁的 notify 或者 notifyAll 命令,会造成WaitSet中 的线程,转移到 EntrySet 中,重新进行锁的争夺。

如此周而复始,线程就可按顺序排队执行。

3. 分级锁

JDK1.8中,synchronized 的速度已经有了显著的提升。那它都做了哪些优化呢?答案就是分级锁。JVM会根据使用情况,对synchronized 的锁,进行升级,它大体可以按照下面的路径:偏向锁->轻量级锁->重量级锁。

锁只能升级,不能降级,所以一旦升级为重量级锁,就只能依靠操作系统进行调度。

和锁升级关系最大的就是对象头里的 MarkWord,它包含Thread IDAgeBiasedTag四个部分。其中,Biased 有1bit大小,Tag 有2bit,锁升级就是靠判断Thread Id、Biased、Tag等三个变量值来进行的。

偏向锁

在只有一个线程使用了锁的情况下,偏向锁能够保证更高的效率。

具体过程是这样的。当第一个线程第一次访问同步块时,会先检测对象头Mark Word中的标志位Tag是否为01,以此判断此时对象锁是否处于无锁状态或者偏向锁状态(匿名偏向锁)。

01也是锁默认的状态,线程一旦获取了这把锁,就会把自己的线程ID写到MarkWord中。在其他线程来获取这把锁之前,锁都处于偏向锁状态。

轻量级锁

当下一个线程参与到偏向锁竞争时,会先判断 MarkWord 中保存的线程 ID 是否与这个线程 ID 相等,如果不相等,会立即撤销偏向锁,升级为轻量级锁。

轻量级锁的获取是怎么进行的呢?它们使用的是自旋方式。

参与竞争的每个线程,会在自己的线程栈中生成一个 LockRecord ( LR ),然后每个线程通过 CAS (自旋)的方式,将锁对象头中的 MarkWord 设置为指向自己的 LR 的指针,哪个线程设置成功,就意味着哪个线程获得锁。

当锁处于轻量级锁的状态时,就不能够再通过简单的对比Tag的值进行判断,每次对锁的获取,都需要通过自旋。

当然,自旋也是面向不存在锁竞争的场景,比如一个线程运行完了,另外一个线程去获取这把锁。但如果自旋失败达到一定的次数,锁就会膨胀为重量级锁。

重量级锁

重量级锁即为我们对synchronized的直观认识,这种情况下,线程会挂起,进入到操作系统内核态,等待操作系统的调度,然后再映射回用户态。系统调用是昂贵的,重量级锁的名称由此而来。

如果系统的共享变量竞争非常激烈,锁会迅速膨胀到重量级锁,这些优化就名存实亡。如果并发非常严重,可以通过参数-XX:-UseBiasedLocking禁用偏向锁,理论上会有一些性能提升,但实际上并不确定。

4. Lock

在 concurrent 包里,我们能够发现ReentrantLockReentrantReadWriteLock两个类。Reentrant就是可重入的意思,它们和synchronized关键字一样,都是可重入锁。

这里有必要解释一下可重入这个概念,因为在面试的时候经常被问到。它的意思是,一个线程运行时,可以多次获取同一个对象锁。这是因为Java的锁是基于线程的,而不是基于调用的。比如下面这段代码,由于方法a、b、c锁的都是当前的this,线程在调用a方法的时候,就不需要多次获取对象锁。

public synchronized void a(){
    b();
}
public synchronized void b(){
    c();
}
public synchronized void c(){
}

主要方法

LOCK是基于AQS(AbstractQueuedSynchronizer)实现的,而AQS 是基于 volitale 和 CAS 实现的。关于CAS,我们将在下一课时讲解。

Lock与synchronized的使用方法不同,它需要手动加锁,然后在finally中解锁。Lock接口比synchronized灵活性要高,我们来看一下几个关键方法。

  • lock: lock方法和synchronized没什么区别,如果获取不到锁,都会被阻塞

  • tryLock: 此方法会尝试获取锁,不管能不能获取到锁,都会立即返回,不会阻塞。它是有返回值的,获取到锁就会返回true

  • tryLock(long time, TimeUnit unit):  与tryLock类似,但它在拿不到锁的情况下,会等待一段时间,直到超时

  • lockInterruptibly: 与lock类似,但是可以锁等待可以被中断,中断后返回InterruptedException

一般情况下,使用lock方法就可以。但如果业务请求要求响应及时,那使用带超时时间的tryLock是更好的选择:我们的业务可以直接返回失败,而不用进行阻塞等待。tryLock这种优化手段,采用降低请求成功率的方式,来保证服务的可用性,高并发场景下经常被使用。

读写锁

但对于有些业务来说,使用Lock这种粗粒度的锁还是太慢了。比如,对于一个HashMap来说,某个业务是读多写少的场景,这个时候,如果给读操作也加上和写操作一样的锁的话,效率就会很慢。

ReentrantReadWriteLock是一种读写分离的锁,它允许多个读线程同时进行,但读和写、写和写是互斥的。使用方法如下所示,分别获取读写锁,对写操作加写锁,对读操作加读锁,并在finally里释放锁即可。

ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
    Lock readLock = lock.readLock();
    Lock writeLock = lock.writeLock();

    public void put(K k, V v) {
        writeLock.lock();
        try {
            map.put(k, v);
        } finally {
            writeLock.unlock();
        }
    }
...

那么,除了ReadWriteLock,我们能有更快的读写分离模式么?JDK1.8加入了哪个API?欢迎留言区评论。

公平锁与非公平锁

我们平常用到的锁,都是非公平锁。可以回过头来看一下monitor的原理。当持有锁的线程释放锁的时候,EntrySet里的线程就会争抢这把锁。这个争抢的过程,是随机的,也就是说你并不知道哪个线程会获取对象锁,谁抢到了就算谁的。

这就有一定的概率,某个线程总是抢不到锁,比如,线程通过setPriority 设置的比较低的优先级。这个抢不到锁的线程,就一直处于饥饿状态,这就是线程饥饿的概念。

公平锁通过把随机变成有序,可以解决这个问题。synchronized没有这个功能,在Lock中可以通过构造参数设置成公平锁,代码如下。

public ReentrantReadWriteLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
        readerLock = new ReadLock(this);
        writerLock = new WriteLock(this);
}

由于所有的线程都需要排队,需要在多核的场景下维护一个同步队列,在多个线程争抢锁的时候,吞吐量就很低。下面是20个并发之下锁的JMH测试结果,可以看到,非公平锁比公平锁性能高出两个数量级。

Benchmark                      Mode  Cnt      Score      Error   Units
FairVSNoFairBenchmark.fair    thrpt   10    186.144 ±   27.462  ops/ms
FairVSNoFairBenchmark.nofair  thrpt   10  35195.649 ± 6503.375  ops/ms

5. 锁的优化技巧

死锁

我们可以先看一下锁冲突最严重的一种情况:死锁。下面这段示例代码,两个线程分别持有了对方所需要的锁,进入了相互等待的状态,就进入了死锁。面试中手写这段代码的频率,还是挺高的。

public class DeadLockDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Object object1 = new Object();
        Object object2 = new Object();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            synchronized (object1) {
                try {
                    Thread.sleep(200);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                synchronized (object2) {
                }
            }
        }, "deadlock-demo-1");

        t1.start();
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            synchronized (object2) {
                synchronized (object1) {
                }
            }
        }, "deadlock-demo-2");
        t2.start();
    }
}

使用我们上面提到的,带超时时间的tryLock方法,有一方让步,可以一定程度上避免死锁。

优化技巧

锁的优化理论其实很简单,那就是减少锁的冲突。无论是锁的读写分离,还是分段锁,本质上都是为了避免多个线程同时获取同一把锁。我们可以总结一下优化的一般思路:减少锁的粒度、减少锁持有的时间、锁分级、锁分离 、锁消除、乐观锁、无锁等。

image.png

减少锁粒度

通过减小锁的粒度,可以将冲突分散,减少冲突的可能,从而提高并发量。简单来说,就是把资源进行抽象,针对每类资源使用单独的锁进行保护。比如下面的代码,由于list1和list2属于两类资源,就没必要使用同一个对象锁进行处理。

public class LockLessDemo {
    List<String> list1 = new ArrayList<>();
    List<String> list2 = new ArrayList<>();
    public synchronized void addList1(String v){
        this.list1.add(v);
    }
    public synchronized void addList2(String v){
        this.list2.add(v);
    }
}

可以创建两个不同的锁,改善情况如下:

public class LockLessDemo {
    List<String> list1 = new ArrayList<>();
    List<String> list2 = new ArrayList<>();
    final Object lock1 = new Object();
    final Object lock2 = new Object();
    public void addList1(String v) {
        synchronized (lock1) {
            this.list1.add(v);
        }
    }
    public void addList2(String v) {
        synchronized (lock2) {
            this.list2.add(v);
        }
    }
}

减少锁持有时间通过让锁资源尽快的释放,减少锁持有的时间,其他线程可更迅速的获取锁资源,进行其他业务的处理。考虑到下面的代码,由于slowMethod不在锁的范围内,占用的时间又比较长,可以把它移动到synchronized代码快外面,加速锁的释放。

public class LockTimeDemo {
    List<String> list = new ArrayList<>();
    final Object lock = new Object();
    public void addList(String v) {
        synchronized (lock) {
            slowMethod();
            this.list.add(v);
        }
    }
    public void slowMethod(){
    }
}

锁分级锁分级指的是我们文章开始讲解的synchronied锁的锁升级,属于JVM的内部优化。它从偏向锁开始,逐渐会升级为轻量级锁、重量级锁,这个过程是不可逆的。

锁分离我们在上面提到的读写锁,就是锁分离技术。这是因为,读操作一般是不会对资源产生影响的,可以并发执行。写操作和其他操作是互斥的,只能排队执行。所以读写锁适合读多写少的场景。

锁消除通过JIT编译器,JVM可以消除某些对象的加锁操作。举个例子,大家都知道StringBuffer和StringBuilder都是做字符串拼接的,而且前者是线程安全的。

但其实,如果这两个字符串拼接对象用在函数内,JVM通过逃逸分析分析这个对象的作用范围就是在本函数中,就会把锁的影响给消除掉。比如下面这段代码,它和StringBuilder的效果是一样的。

String m1(){
    StringBuffer sb = new StringBuffer();
    sb.append("");
    return sb.toString();
}

End

Java中有两种加锁方式,一种是使用synchronized关键字,另外一种是concurrent包下面的Lock。本课时,我们详细的了解了它们的一些特性,包括实现原理。下面对比如下:

类别 Synchronized Lock
实现方式 monitor AQS
底层细节 JVM优化 Java API
分级锁
功能特性 单一 丰富
锁分离 读写锁
锁超时 带超时时间的tryLock
可中断 lockInterruptibly

Lock的功能是比synchronized多的,能够对线程行为进行更细粒度的控制。但如果只是用最简单的锁互斥功能,建议直接使用synchronized。有两个原因:

  • synchronized的编程模型更加简单,更易于使用

  • synchronized引入了偏向锁,轻量级锁等功能,能够从JVM层进行优化,同时,JIT编译器也会对它执行一些锁消除动作

多线程代码好写,但bug难找,希望你的代码即干净又强壮,兼高性能与高可靠于一身。

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