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探索并发编程（六）------Java多线程性能优化

2024-07-06 08:07:27   226人阅读

大家使用多线程无非是为了提高性能，但如果多线程使用不当，不但性能提升不明显，而且会使得资源消耗更大。下面列举一下可能会造成多线程性能问题的点：

  • 死锁
  • 过多串行化
  • 过多锁竞争
  • 切换上下文
  • 内存同步

下面分别解析以上性能隐患

死锁

关于死锁，我们在学习操作系统的时候就知道它产生的原因和危害，这里就不从原理上去累述了，可以从下面的代码和图示重温一下死锁产生的原因：

[java] view plaincopy
  1. public class LeftRightDeadlock {  
  2.     private final Object left = new Object();  
  3.     private final Object right = new Object();  
  4.     public void leftRight() {  
  5.         synchronized (left) {  
  6.             synchronized (right) {  
  7.                 doSomething();  
  8.             }  
  9.         }  
  10.     }  
  11.     public void rightLeft() {  
  12.         synchronized (right) {  
  13.             synchronized (left) {  
  14.                 doSomethingElse();  
  15.             }  
  16.         }  
  17.     }  
  18. }  

预防和处理死锁的方法：

1）尽量不要在释放锁之前竞争其他锁

一般可以通过细化同步方法来实现，只在真正需要保护共享资源的地方去拿锁，并尽快释放锁，这样可以有效降低在同步方法里调用其他同步方法的情况

2）顺序索取锁资源

如果实在无法避免嵌套索取锁资源，则需要制定一个索取锁资源的策略，先规划好有哪些锁，然后各个线程按照一个顺序去索取，不要出现上面那个例子中不同顺序，这样就会有潜在的死锁问题

3）尝试定时锁

Java 5提供了更灵活的锁工具，可以显式地索取和释放锁。那么在索取锁的时候可以设定一个超时时间，如果超过这个时间还没索取到锁，则不会继续堵塞而是放弃此次任务，示例代码如下：

[java] view plaincopy
  1. public boolean trySendOnSharedLine(String message,  
  2.                                    long timeout, TimeUnit unit)  
  3.                                    throws InterruptedException {  
  4.     long nanosToLock = unit.toNanos(timeout)  
  5.                      - estimatedNanosToSend(message);  
  6.     if (!lock.tryLock(nanosToLock, NANOSECONDS))  
  7.         return false;  
  8.     try {  
  9.         return sendOnSharedLine(message);  
  10.     } finally {  
  11.         lock.unlock();  
  12.     }  
  13. }  

这样可以有效打破死锁条件。

4）检查死锁

JVM采用thread dump的方式来识别死锁的方式，可以通过操作系统的命令来向JVM发送thread dump的信号，这样可以查询哪些线程死锁。

过多串行化

用多线程实际上就是想并行地做事情，但这些事情由于某些依赖性必须串行工作，导致很多环节得串行化，这实际上很局限系统的可扩展性，就算加CPU加线程，但性能却没有线性增长。有个Amdahl定理可以说明这个问题：

其中，F是串行化比例，N是处理器数量，由上可知，只有尽可能减少串行化，才能最大化地提高可扩展能力。降低串行化的关键就是降低锁竞争，当很多并行任务挂在锁的获取上，就是串行化的表现

过多锁竞争

过多锁竞争的危害是不言而喻的，那么看看有哪些办法来降低锁竞争

1）缩小锁的范围

前面也谈到这一点，尽量缩小锁保护的范围，快进快出，因此尽量不要直接在方法上使用synchronized关键字，而只是在真正需要线程安全保护的地方使用

2）减小锁的粒度

Java 5提供了显式锁后，可以更为灵活的来保护共享变量。synchronized关键字（用在方法上）是默认把整个对象作为锁，实际上很多时候没有必要用这么 大一个锁，这会导致这个类所有synchronized都得串行执行。可以根据真正需要保护的共享变量作为锁，也可以使用更为精细的策略，目的就是要在真 正需要串行的时候串行，举一个例子：

[java] view plaincopy
  1. public class StripedMap {  
  2.     // Synchronization policy: buckets[n] guarded by locks[n%N_LOCKS]  
  3.     private static final int N_LOCKS = 16;  
  4.     private final Node[] buckets;  
  5.     private final Object[] locks;  
  6.     private static class Node { ... }  
  7.     public StripedMap(int numBuckets) {  
  8.         buckets = new Node[numBuckets];  
  9.         locks = new Object[N_LOCKS];  
  10.         for (int i = 0; i < N_LOCKS; i++)  
  11.             locks[i] = new Object();  
  12.     }  
  13.     private final int hash(Object key) {  
  14.         return Math.abs(key.hashCode() % buckets.length);  
  15.     }  
  16.     public Object get(Object key) {  
  17.         int hash = hash(key);  
  18.         synchronized (locks[hash % N_LOCKS]) {  
  19.             for (Node m = buckets[hash]; m != null; m = m.next)  
  20.                 if (m.key.equals(key))  
  21.                     return m.value;  
  22.         }  
  23.         return null;  
  24.     }  
  25.     public void clear() {  
  26.         for (int i = 0; i < buckets.length; i++) {  
  27.             synchronized (locks[i % N_LOCKS]) {  
  28.                 buckets[i] = null;  
  29.             }  
  30.         }  
  31.     }  
  32.     ...  
  33. }  

上面这个例子是通过hash算法来把存取的值所对应的hash值来作为锁，这样就只需要对hash值相同的对象存取串行化，而不是像HashTable那样对任何对象任何操作都串行化。

3）减少共享资源的依赖

共享资源是竞争锁的源头，在多线程开发中尽量减少对共享资源的依赖，比如对象池的技术应该慎重考虑，新的JVM对新建对象以做了足够的优化，性能非常好，如果用对象池不但不能提高多少性能，反而会因为锁竞争导致降低线程的可并发性。

4）使用读写分离锁来替换独占锁

Java 5提供了一个读写分离锁（ReadWriteLock）来实现读-读并发，读-写串行，写-写串行的特性。这种方式更进一步提高了可并发性，因为有些场景大部分是读操作，因此没必要串行工作。关于ReadWriteLock的具体使用可以参加一下示例：

[java] view plaincopy
  1. public class ReadWriteMap<K,V> {  
  2.     private final Map<K,V> map;  
  3.     private final ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();  
  4.     private final Lock r = lock.readLock();  
  5.     private final Lock w = lock.writeLock();  
  6.     public ReadWriteMap(Map<K,V> map) {  
  7.         this.map = map;  
  8.     }  
  9.     public V put(K key, V value) {  
  10.         w.lock();  
  11.         try {  
  12.             return map.put(key, value);  
  13.         } finally {  
  14.             w.unlock();  
  15.         }  
  16.     }  
  17.     // Do the same for remove(), putAll(), clear()  
  18.     public V get(Object key) {  
  19.         r.lock();  
  20.         try {  
  21.             return map.get(key);  
  22.         } finally {  
  23.             r.unlock();  
  24.         }  
  25.     }  
  26.     // Do the same for other read-only Map methods  
  27. }  

切换上下文

线程比较多的时候，操作系统切换线程上下文的性能消耗是不能忽略的，在构建高性能web之路------web服务器长连接 可以看出在进程切换上的代价，当然线程会更轻量一些，不过道理是类似的

内存同步

当使用到synchronized、volatile或Lock的时候，都会为了保证可见性导致更多的内存同步，这就无法享受到JMM结构带来了性能优化。


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