Java多线程性能调优

Synchronized同步锁优化方法

1.6之前比较重量级,1.6后经过优化性能大大提升

使用Synchronized实现同步锁住要是两种方式:方法、代码块。

1.代码块

Synchronized在修饰同步代码块时,是由 monitorenter和monitorexit指令来实现同步的。进入monitorenter 指令后,线程将持有Monitor对象,退出monitorenter指令后,线程将释放该Monitor对象。

2.方法

当Synchronized修饰同步方法时,并没有发现monitorenter和monitorexit指令,而是出现了一个ACC_SYNCHRONIZED标志。这是因为JVM使用了ACC_SYNCHRONIZED访问标志来区分一个方法是否是同步方法。当方法调用时,调用指令将会检查该方法是否被设置ACC_SYNCHRONIZED访问标志。如果设置了该标志,执行线程将先持有Monitor对象,然后再执行方法。在该方法运行期间,其它线程将无法获取到该Mointor对象,当方法执行完成后,再释放该Monitor对象。

JVM中的同步是基于进入和退出管程(Monitor)对象实现的。每个对象实例都会有一个Monitor,Monitor可以和对象一起创建、销毁。Monitor是由ObjectMonitor实现,而ObjectMonitor是由C++的ObjectMonitor.hpp文件实现。

当多个线程同时访问一段同步代码时,多个线程会先被存放在ContentionList和_EntryList 集合中,处于block状态的线程,都会被加入到该列表。接下来当线程获取到对象的Monitor时,Monitor是依靠底层操作系统的Mutex Lock来实现互斥的,线程申请Mutex成功,则持有该Mutex,其它线程将无法获取到该Mutex,竞争失败的线程会再次进入ContentionList被挂起。

如果线程调用wait() 方法,就会释放当前持有的Mutex,并且该线程会进入WaitSet集合中,等待下一次被唤醒。如果当前线程顺利执行完方法,也将释放Mutex。

因为涉及到线程的阻塞和挂起等操作,这也是Synchronized比较重量级的原因。下面看看jdk源码是怎么进行优化的。

JDK1.6引入了偏向锁、轻量级锁、重量级锁概念,来减少锁竞争带来的上下文切换,而正是新增的Java对象头实现了锁升级功能。当Java对象被Synchronized关键字修饰成为同步锁后,围绕这个锁的一系列升级操作都将和Java对象头有关。对象头内容如下:

锁升级过程如下:

🌟🌟🌟一句话概括总结,通过一些方式去竞争锁,在竞争中逐渐提高锁的级别,代价也越来越大。一开始只需查询对象头,然后是CAS竞争,最后直接挂起阻塞线程。

锁的不同重量级对应着不同的场景,我们需要根据实际的业务情况去具体优化。

1.偏向锁主要用来优化同一线程多次申请同一个锁的竞争。在某些情况下,大部分时间是同一个线程竞争锁资源,例如,在创建一个线程并在线程中执行循环监听的场景下,或单线程操作一个线程安全集合时,同一线程每次都需要获取和释放锁,每次操作都会发生用户态与内核态的切换。

因此,在高并发场景下,当大量线程同时竞争同一个锁资源时,偏向锁就会被撤销,发生stop the word后, 开启偏向锁无疑会带来更大的性能开销,这时我们可以通过添加JVM参数关闭偏向锁来调优系统性能,示例代码如下:

-XX:-UseBiasedLocking //关闭偏向锁(默认打开)
或
-XX:+UseHeavyMonitors  //设置重量级锁

2.轻量级锁适用于线程交替执行同步块的场景,绝大部分的锁在整个同步周期内都不存在长时间的竞争。

3.自旋锁和重量级锁:在锁竞争不激烈且锁占用时间非常短的场景下,自旋锁可以提高系统性能。一旦锁竞争激烈或锁占用的时间过长,自旋锁将会导致大量的线程一直处于CAS重试状态,占用CPU资源,反而会增加系统性能开销。所以自旋锁和重量级锁的使用都要结合实际场景。

在高负载、高并发的场景下,我们可以通过设置JVM参数来关闭自旋锁,优化系统性能,示例代码如下:

-XX:-UseSpinning //参数关闭自旋锁优化(默认打开) 
-XX:PreBlockSpin //参数修改默认的自旋次数。JDK1.7后,去掉此参数,由jvm控制

4.动态编译优化,JIT编译器对锁的粒度增大或减小。例如,几个相邻的同步块使用的是同一个锁实例,那么 JIT 编译器将会把这几个同步块合并为一个大的同步块,从而避免一个线程"反复申请、释放同一个锁"所带来的性能开销。而粒度减小的典型案例就是JDK8之前的ConcurrentHashMap中用的Segment分段锁,减小锁粒度实现增大并发量,避免锁被升级为重量级锁。

Lock同步锁优化方法

和synchronized的对比

Lock是一个接口,AQS(AbstractQueuedSynchronizer)是一个抽象类。Lock锁是基于Java实现的锁,Lock是一个接口类,常用的实现类有ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock(RRW),它们都是依赖AbstractQueuedSynchronizer(AQS)类实现的。

AQS类结构中包含一个基于链表实现的等待队列(CLH队列),用于存储所有阻塞的线程,AQS中还有一个state变量,该变量对ReentrantLock来说表示加锁状态。

该队列的操作均通过CAS操作实现,我们可以通过一张图来看下整个获取锁的流程。简而言之,通过CAS竞争和队首节点去获得锁。

锁分离优化Lock同步锁,默认的ReentrantLock是独占锁,在大部分业务场景中,读业务操作要远远大于写业务操作。而在多线程编程中,读操作并不会修改共享资源的数据,如果多个线程仅仅是读取共享资源,那么这种情况下其实没有必要对资源进行加锁。如果使用互斥锁,反倒会影响业务的并发性能,那么在这种场景下,有没有什么办法可以优化下锁的实现方式呢?

1.读写锁ReentrantReadWriteLock

RRW也是继承AQS实现,内部维护了两个锁读锁和写锁,实现的关键是将AQS的同步变量state分为高16位和低16位,分别表示读写。

2.读写锁再优化之StampedLock

RRW被很好地应用在了读大于写的并发场景中,然而RRW在性能上还有可提升的空间。在读取很多、写入很少的情况下,RRW会使写入线程遭遇饥饿(Starvation)问题,也就是说写入线程会因迟迟无法竞争到锁而一直处于等待状态。

在JDK1.8中,Java提供了StampedLock类解决了这个问题。StampedLock不是基于AQS实现的,但实现的原理和AQS是一样的,都是基于队列和锁状态实现的。与RRW不一样的是,StampedLock控制锁有三种模式: 写、悲观读以及乐观读,并且StampedLock在获取锁时会返回一个票据stamp,获取的stamp除了在释放锁时需要校验,在乐观读模式下,stamp还会作为读取共享资源后的二次校验,后面我会讲解stamp的工作原理。

我们先通过一个官方的例子来了解下StampedLock是如何使用的,代码如下:

public class Point {
    private double x, y;
    private final StampedLock s1 = new StampedLock();

    void move(double deltaX, double deltaY) {
        //获取写锁
        long stamp = s1.writeLock();
        try {
            x += deltaX;
            y += deltaY;
        } finally {
            //释放写锁
            s1.unlockWrite(stamp);
        }
    }

    double distanceFormOrigin() {
        //乐观读操作
        long stamp = s1.tryOptimisticRead();  
        //拷贝变量
        double currentX = x, currentY = y;
        //判断读期间是否有写操作
        if (!s1.validate(stamp)) {
            //升级为悲观读
            stamp = s1.readLock();
            try {
                currentX = x;
                currentY = y;
            } finally {
                s1.unlockRead(stamp);
            }
        }
        return Math.sqrt(currentX * currentX + currentY * currentY);
    }
}

我们可以发现:一个写线程获取写锁的过程中,首先是通过WriteLock获取一个票据stamp,WriteLock是一个独占锁,同时只有一个线程可以获取该锁,当一个线程获取该锁后,其它请求的线程必须等待,当没有线程持有读锁或者写锁的时候才可以获取到该锁。请求该锁成功后会返回一个stamp票据变量,用来表示该锁的版本,当释放该锁的时候,需要unlockWrite并传递参数stamp。

接下来就是一个读线程获取锁的过程。首先线程会通过乐观锁tryOptimisticRead操作获取票据stamp ,如果当前没有线程持有写锁,则返回一个非0的stamp版本信息。线程获取该stamp后,将会拷贝一份共享资源到方法栈,在这之前具体的操作都是基于方法栈的拷贝数据。

之后方法还需要调用validate,验证之前调用tryOptimisticRead返回的stamp在当前是否有其它线程持有了写锁,如果是,那么validate会返回0,升级为悲观锁;否则就可以使用该stamp版本的锁对数据进行操作。

相比于RRW,StampedLock获取读锁只是使用与或操作进行检验,不涉及CAS操作,即使第一次乐观锁获取失败,也会马上升级至悲观锁,这样就可以避免一直进行CAS操作带来的CPU占用性能的问题,因此StampedLock的效率更高。

乐观锁优化并行操作

优化多线程上下文切换

并发容器的选择

线程池的设置

协程的使用

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