高并发程序设计(6)—— 有锁和无锁(ThreadLocal 和 CAS)

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  • synchronized(同步锁),ReentrantLock(重入锁)、ReadWriteLock(读写锁)这些都是通过加锁的方式保证多线程之间共享资源的一致性,使用多线程会明显的提升系统性能,但是多线程也会额外增加系统的开销,除了处理线程本身的任务外,还要维护多线程环境特有的信息,和线程的调度和上下文切换。
  • 死锁:使用重入锁的限时等待可以有效规避死锁

提高锁的性能的几点建议

  • 减小锁持有时间
  • 减小锁粒度。
    • 对于HashMap来说最重要的就是put和get两个方法,最自然想到的就是对整个HashMap加锁,必然得到一个线程安全的对象,但是这样做加锁粒度太大,ConCurruntHashMap它内部进一步细分若干个小的HashMap,称之为段(segment),默认情况下一个ConCurruntHashMap分为16个段,如果需要put一个值,并不是将整个hashMap加锁,而是根据hashcode得到该值应该存放在哪一个段中,然后对该段加锁,完成put操作,多线程环境中,多个线程进行put操作,只要新增的值不存在同一个段中,就可能达到真正的并行。
    • 减少锁粒度会有一个新问题,当系统需要获得全局锁时,消耗的资源更多,如ConCurruntHashMap的size()方法。只有在获取全局信息方法调用不频繁时,这种减小粒度的方法才有意义。
  • 读写分离来替换独占锁。如果减少粒度是通过分割数据结构实现,那么读写锁则是对系统功能点分割。
  • 锁分离,将读写锁进一步延伸,读写锁根据读写操作的不同,进行了有效的锁分离。
    • LinkedBlockingQueue的实现中,take和put函数分别实现从队列中去数据和增加数据,虽然都对队列数据进行修改,但由于LinkedBlockingQueue是基于链表的,因此两个操作分别作用在队列的头和尾,理论上并不冲突,如果使用独占锁,那么两个操作就不能并行,影响高并发时的性能,因此JDK的实现中采用的是两把不同的锁ReentrantLock分离 take和put操作,实现真正意义的并发操作。
  • 锁粗化,锁粗化和减少锁持有时间恰好相反,不同场合他们效果不同,根据实际情况权衡。

Java虚拟机对锁优化

  • 锁偏向:如果一个线程获得锁,那么就进入偏向模式,这个线程再次请求锁时,无需再做同步操作,节省申请时间,在几乎没有锁竞争的场合,偏向锁有比较好的优化效果。竞争激烈的场合,每次都是不同的线程来申请,偏向模式就失效了,还不如不用,可以关掉虚拟机的偏向锁。
  • 轻量级锁:如果偏向锁失败,虚拟机不会立刻挂起线程,还会使用一种轻量级锁的优化手段,如果轻量级锁也失败,当前线程的锁就膨胀为重量级锁。
  • 自旋锁:锁膨胀后为避免线程真实的在系统层面挂起,系统会进行一次赌注,假设线程在不久的将来会得到这把锁,因此,虚拟机会让当前线程循环几次,经过若干次循环后,如果可以得到锁,就顺利进入临界区,否则就真的挂起。
  • 锁消除:Java虚拟机在JIT编译时,通过对上下文扫描,去除不可能存在共享资源竞争的锁,节省毫无意义的请求锁的时间,如使用JDK内置API的StringBuffer、Vector等,涉及逃逸分析技术,可以设置打开关闭。

无锁

  • ThreadLocal:如果加锁是100个人用一只笔,那ThreadLocal就是100个人每人一只笔,通过增加资源解决竞争。适合用在共享对象对于竞争的处理会引起性能问题时。如在多线程环境生成随机数的问题,并发调用日期解析的方法SimpleDateFormat.parse()因为他们都不是线程安全的方法。
  • CAS:比较交换,适合对共享数据修改时使用,JDK并发包中有一个atomic包,里面提供一些直接使用CAS指令操作的线程安全数据类型,对于并发控制,锁是一种悲观策略,假设每一次临界区的访问都会产生冲突,只运行一个线程进入,而无锁是一种乐观策略,假设对资源的访问没有冲突,只在提交操作时检查是否违反数据完整性,并发下CAS操作不容易成功,一般要多次循环尝试,直到成功,乐观锁不能解决脏读的问题。

ThreadLocal

  • 它是线程的局部变量,只有当前线程能访问,自然是线程安全的。
  • 变量的维护是在Thread内部,意味着只要线程不退出,对象将一直引用,当线程退出时,Thread类会进行清理工作,因此如果我们使用线程池,意味着当前的线程未必会退出,如果这样ThreadLocal将有内存泄露的可能,所以用完ThreadLocal保存的对象后,应该及时清理手动设置null,或者remove保存的对象。

CAS

  • 使用CAS会使程序看起来更复杂,但由于他非阻塞性,天生对死锁免疫,而且线程间的互相影响也远远小于基于锁的方式,更重要的是使用无锁的方式完全没有使用锁竞争带来的系统开销,也没有线程间频繁调度带来的开销,因此他比锁拥有更优越的性能。
  • CAS算法包含三个参数CAS(V,E,N),v表示要更新的变量,E表示预期的值,N表示新值,当V的值等于E时才会将V的值设置为N。现实中,还可能存在另一种情况,我能能否修改对象的值,不仅取决于当前值,还和对象的过程变化有关,这时就要增加一个时间戳或一个状态值,更新数据时同时更新状态值,设置对象值时,预期值和状态值都必须满足,写入才成功。JDK提供的AtomicStampedReference就提供了这个功能。

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