在并發(fā)編程中，鎖是保護共享資源的重要機制。然而，不正確的鎖使用可能會導致性能下降、死鎖等問題。因此，對鎖進行調優(yōu)是提高并發(fā)程序性能和穩(wěn)定性的關鍵之一。本文將介紹一些常用的鎖調優(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，簡而言之，就是同時運行多個任務。在一個具有多個處理器的系統(tǒng)中，這意味著可以同時執(zhí)行多個任務。而在只有一個處理器的系統(tǒng)中，雖然一次只能執(zhí)行一個任務，但由于任務之間的切換速度非常快，給我們的感覺就像所有任務都在同時運行。在 Java 中，我們通常使用線程來實現(xiàn)并發(fā)編程。了解更多并發(fā)編程的基礎知識，可以訪問這里。
1.1. 鎖的基本概念
在并發(fā)編程中，我們常常會遇到多個線程同時訪問和修改同一份數據的情況。為了保證數據的一致性和正確性，我們需要使用到鎖的概念。鎖可以防止多個線程同時修改同一份數據，保證在任何時刻，只有一個線程能修改數據。
在 Java 中，我們主要使用兩種類型的鎖：互斥鎖和讀寫鎖?；コ怄i保證同一時刻只有一個線程能訪問某一共享資源。在 Java 中，我們可以通過 synchronized 關鍵字來實現(xiàn)互斥鎖。另一種鎖是讀寫鎖，它允許多個線程同時讀取共享資源，但在寫入數據時，只能有一個線程進行，其他所有線程(無論是讀線程還是寫線程)都無法訪問共享資源。在 Java 中，我們可以使用 ReentrantReadWriteLock 類來實現(xiàn)讀寫鎖。
讓我們來看一個簡單的互斥鎖的示例。在下面的代碼中，我們創(chuàng)建了一個對象 lock，并使用 synchronized 關鍵字對這個對象進行加鎖。這樣，在執(zhí)行 criticalSection() 方法的過程中，只有獲得 lock 對象的鎖的線程才能執(zhí)行。
Object lock = new Object();
synchronized(lock) {
criticalSection();
}
對于讀寫鎖，我們可以使用 ReentrantReadWriteLock 類來實現(xiàn)。以下是一個簡單的示例：
ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
// 獲取讀鎖
lock.readLock().lock();
try {
readData();
} finally {
lock.readLock().unlock();
}
// 獲取寫鎖
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，簡單來說，就是通過一些技術手段來改進鎖的使用方式，以提高并發(fā)程序的運行效率。這些技術手段包括但不限于：鎖粗化，鎖消除，輕量級鎖，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。假如一個線程在一段代碼中反復對同一個對象進行加鎖和解鎖，那么 JVM 就會將這些鎖的范圍擴大(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，有些鎖實際上是不必要的，例如在只會被一個線程使用的數據上加的鎖。JVM 在 JIT 編譯的時候，通過一種叫做逃逸分析的技術，可以檢測到這些不必要的鎖，然后將其刪除。輕量級鎖：這是一種在無競爭情況下，減少不必要的重量級鎖性能消耗的優(yōu)化手段。如果在獲取鎖的時候沒有競爭，那么 JVM 就會使用輕量級鎖。如果后續(xù)有競爭出現(xiàn)，輕量級鎖就會膨脹為重量級鎖。偏向鎖：這是一種針對只有一個線程訪問同步代碼塊的情況的優(yōu)化手段。如果一個鎖主要被一個線程所獲取，那么 JVM 就會讓這個線程"偏向"這個鎖，后續(xù)這個線程再獲取這個鎖，就無需進行額外的同步操作。這大大提高了鎖的獲取速度。3. 鎖消除
何時可以進行鎖消除
鎖消除主要應用在沒有多線程競爭的情況下。具體來說，當一個數據僅在一個線程中使用，或者說這個數據的作用域僅限于一個線程時，這個線程對該數據的所有操作都不需要加鎖。在 Java HotSpot VM 中，這種優(yōu)化主要是通過逃逸分析(Escape Analysis)來實現(xiàn)的。
為什么鎖消除有效
鎖消除之所以有效，是因為它消除了不必要的鎖競爭，從而減少了線程切換和線程調度帶來的性能開銷。當數據僅在單個線程中使用時，對此數據的所有操作都不需要同步。在這種情況下，鎖操作不僅不會增加安全性，反而會因為增加了額外的執(zhí)行開銷而降低程序的運行效率。
如何在代碼中實現(xiàn)鎖消除
在代碼層面上，我們無法直接控制 JVM 進行鎖消除優(yōu)化，這是由 JVM 的 JIT 編譯器在運行時動態(tài)完成的。但我們可以通過編寫高質量的代碼，使 JIT 編譯器更容易識別出可以進行鎖消除的場景。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 實例 sb 的作用域僅限于 appendString 方法。在多線程環(huán)境中，不同的線程執(zhí)行 appendString 方法會創(chuàng)建各自的 StringBuffer 實例，互不影響。因此，JIT 編譯器會發(fā)現(xiàn)這種情況并自動消除 sb.append 操作中的鎖競爭。
所以，就有了如下編碼規(guī)則：
變量作用域應盡可能小
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，從而提高程序的運行效率。在日常編程中，我們應該盡量避免在單線程的上下文中使用同步數據結構，從而使得鎖消除技術得以發(fā)揮作用。
4. 鎖粗化
何時可以進行鎖粗化
鎖粗化，簡單來說，就是將多個連續(xù)的鎖擴展為一個更大范圍的鎖。也就是說，如果 JVM 檢測到有連續(xù)的對同一對象的加鎖、解鎖操作，就會把這些加鎖、解鎖操作合并為對這段區(qū)域進行一次連續(xù)的加鎖和解鎖。具體的示例如下：
synchronized (lock) {
// 代碼塊 1
}
// 無關代碼
synchronized (lock) {
// 代碼塊 2
}
JVM 在運行時可能會選擇將上述兩個小的同步塊合并，形成一個大的同步塊：
synchronized (lock) {
// 代碼塊 1
// 無關代碼
// 代碼塊 2
}
為什么鎖粗化有效
加鎖和解鎖操作本身也會帶來一定的性能開銷，因為每次加鎖和解鎖都可能會涉及到線程切換、線程調度等開銷。如果有大量小的同步塊頻繁地進行加鎖和解鎖，那么這部分開銷可能會變得很大，從而降低程序的執(zhí)行效率。
通過鎖粗化，可以將多次加鎖和解鎖操作減少到一次，從而減少這部分開銷，提高程序的運行效率。
如何在代碼中實現(xiàn)鎖粗化
在代碼層面上，我們并不能直接控制 JVM 進行鎖粗化，因為這是 JVM 在運行時動態(tài)進行的優(yōu)化。不過，我們可以在編寫代碼時，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。在我們編寫并發(fā)代碼時，應當注意同步塊的使用，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)化使用場景
大量重入的場景：例如，當一個方法大量地調用自身或者其他同步方法時，每次調用都需要加鎖、解鎖，這在極端情況下可能導致系統(tǒng)開銷大增。此時可以考慮使用鎖優(yōu)化。頻繁請求同一個鎖的場景：當多個線程頻繁地請求同一個鎖時，鎖優(yōu)化可以減少鎖請求次數，從而提高性能。鎖粗化使用場景
短時間內多次獲取和釋放同一把鎖的場景：如果在短時間內，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，將多個連續(xù)的鎖合并為一個更大的鎖。沒有競爭的場景：如果在沒有競爭的情況下，仍然存在大量的加鎖、解鎖操作，這將導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，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。具體應用哪種方法，需要根據實際的代碼和運行情況進行選擇。
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 在運行時自動進行，但是我們也可以通過代碼設計來促進鎖優(yōu)化。如以下代碼：
class OptimizedLock {
private final Object lock = new Object();
public void method() {
synchronized(lock) {
// 重復代碼
}
}
}
在這個例子中，我們在方法內部加了一個 synchronized 塊。當這個方法被頻繁調用時，JVM 會進行鎖優(yōu)化，將多次對同一對象的鎖請求合并為一次。
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大，從而減少獲取鎖的次數，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();
}
}
}
在這個例子中，我們通過 ReentrantLock 將鎖的范圍擴大到整個方法，減少了獲取和釋放鎖的次數。
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。當我們的程序運行時，可以通過 JConsole 的界面，查看每個線程的狀態(tài)，包括它們所持有的鎖。
Java Flight Recorder
Java Flight Recorder 是一個強大的診斷工具，它可以收集和分析 JVM 和應用程序的詳細信息。Java Flight Recorder 可以幫助我們發(fā)現(xiàn)潛在的并發(fā)問題，例如鎖競爭。
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