概述

處理器上的寄存器的讀寫的速度比內(nèi)存快幾個(gè)數(shù)量級(jí)，為了解決這種速度矛盾，在它們之間加入了高速緩存。

加入高速緩存帶來(lái)了一個(gè)新的問(wèn)題：緩存一致性。如果多個(gè)緩存共享同一塊主內(nèi)存區(qū)域，那么多個(gè)緩存的數(shù)據(jù)可能會(huì)不一致，需要一些協(xié)議來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

在Java內(nèi)存模型中，分為主內(nèi)存和線程工作內(nèi)存，線程使用共享數(shù)據(jù)時(shí)，先從主內(nèi)存中拷貝數(shù)據(jù)到工作內(nèi)存，使用完成之后再寫入主內(nèi)存中。

在Java中，有多線程并發(fā)時(shí)，我們可以使用多線程同步的方式來(lái)解決內(nèi)存一致性的問(wèn)題。通常我們可以在程序中添加同步鎖來(lái)保障數(shù)據(jù)的安全訪問(wèn)，但是也經(jīng)常會(huì)帶來(lái)一些同步性能問(wèn)題，那么本章將針對(duì)常見的同步問(wèn)題給出了一些優(yōu)化方案。

讀寫鎖

在多線程操作下，如果我們的某些數(shù)據(jù)經(jīng)常被讀取操作，但非常少的時(shí)機(jī)被寫入操作。這時(shí)，如果我們使用synchronized等同步方式，性能會(huì)非常低。

這種場(chǎng)景下，我們應(yīng)該使用讀寫鎖來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。

讀寫鎖的特點(diǎn)：

• 讀寫鎖維護(hù)一對(duì)鎖，讀鎖和寫鎖。
• 可以共享讀，但只能一個(gè)寫。
• 讀讀不互斥，讀寫互斥，寫寫互斥。

某些特定的場(chǎng)景，使用讀寫鎖會(huì)極大的提高多線程并發(fā)操作的效率。因?yàn)?，讀寫鎖中，讀鎖不是排它鎖，所以可以并發(fā)執(zhí)行，可以非常顯著的提高讀取效率；只有在寫鎖時(shí)，是排它鎖，這時(shí)需要等待寫鎖的釋放。

ReetrantReadWriteLock

ReadWriteLock接口

Java并發(fā)包中ReadWriteLock是一個(gè)接口，抽象了讀寫鎖方法：

public interface ReadWriteLock {
    /**
     * Returns the lock used for reading.
     *
     * @return the lock used for reading
     */
    Lock readLock();

    /**
     * Returns the lock used for writing.
     *
     * @return the lock used for writing
     */
    Lock writeLock();
}

ReadWriteLock管理一組鎖，一個(gè)是只讀的鎖，一個(gè)是寫鎖。

ReetrantReadWriteLock類

Java并發(fā)庫(kù)中ReetrantReadWriteLock實(shí)現(xiàn)了ReadWriteLock接口并添加了可重入的特性。

1. ReetrantReadWriteLock獲取鎖順序有兩種模式：

• 非公平模式（默認(rèn)）：非公平鎖主張競(jìng)爭(zhēng)獲取，可能會(huì)延緩一個(gè)或多個(gè)讀或?qū)懢€程，但是會(huì)比公平鎖有更高的吞吐量。
• 公平模式：當(dāng)以公平模式初始化時(shí)，線程將會(huì)以隊(duì)列的順序獲取鎖。
  

2. 可重入

ReetrantReadWriteLock鎖是可重入的，當(dāng)然一個(gè)線程獲取多少次鎖，就必須釋放多少次鎖。

• 讀線程獲取讀鎖之后能夠再次獲取讀鎖。
• 寫線程獲取寫鎖之后能再次獲取寫鎖，也可以獲取讀鎖。
  

3. 鎖降級(jí)

在讀寫鎖中，鎖降級(jí)：從寫鎖變成讀鎖；鎖升級(jí)：從讀鎖變成寫鎖。

• ReentrantReadWriteLock是不支持鎖升級(jí)的，也就是當(dāng)一個(gè)線程持有了讀鎖，當(dāng)該線程再次使用寫鎖時(shí)，是不可以的。如果一個(gè)線程持有了讀鎖，則在獲取寫鎖之前，一定要先釋放讀鎖。
• ReentrantReadWriteLock支持鎖降級(jí)的，也就是如果當(dāng)前線程是寫鎖的持有者，并保持獲得寫鎖的狀態(tài)，同時(shí)又獲取到讀鎖，然后釋放寫鎖的過(guò)程。按照獲取寫鎖、獲取讀鎖、再釋放寫鎖的順序，即寫鎖能夠降級(jí)為讀鎖。

讀寫鎖狀態(tài)的設(shè)計(jì)

讀寫鎖的狀態(tài)是用一個(gè)int值來(lái)表示的。state（int32位）字段分成高16位與低16位，其中高16位表示讀鎖個(gè)數(shù)，低16位表示寫鎖個(gè)數(shù)。

例如，當(dāng)前一個(gè)線程獲取到了寫鎖，并且重入了兩次，因此低16位是3，并且該線程又獲取了讀鎖，并且重入了一次，所以高16位是2，當(dāng)寫鎖被獲取時(shí)如果讀鎖不為0那么讀鎖一定是獲取寫鎖的這個(gè)線程。

寫時(shí)復(fù)制

寫時(shí)復(fù)制（Copy-on-write，簡(jiǎn)稱COW）是一種計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)領(lǐng)域的優(yōu)化策略。其核心思想是，如果有多個(gè)調(diào)用者同時(shí)要求相同資源，他們會(huì)共同獲取相同的指針指向相同的資源，直到某個(gè)調(diào)用者試圖修改資源的內(nèi)容時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)真正復(fù)制一份專用副本給該調(diào)用者，而其他調(diào)用者所見到的最初的資源仍然保持不變。這過(guò)程對(duì)其他的調(diào)用者都是透明的。此作法主要的優(yōu)點(diǎn)是如果調(diào)用者沒(méi)有修改該資源，就不會(huì)有副本被創(chuàng)建，因此多個(gè)調(diào)用者只是讀取操作時(shí)可以共享同一份資源。

在Java中，Copy on Write這種機(jī)制通常用在集合上，在并發(fā)訪問(wèn)的情景下，當(dāng)需要修改JAVA中Containers的元素時(shí)，不直接修改該容器，而是先復(fù)制一份副本，在副本上進(jìn)行修改。修改完成之后，將指向原來(lái)容器的引用指向新的容器（副本容器）。

寫時(shí)復(fù)制的特點(diǎn)

• 由于不會(huì)修改原始容器，只修改副本容器。因此，可以對(duì)原始容器進(jìn)行并發(fā)地讀。其次，實(shí)現(xiàn)了讀操作與寫操作的分離，讀操作發(fā)生在原始容器上，寫操作發(fā)生在副本容器上。
• 數(shù)據(jù)一致性問(wèn)題：因?yàn)樾薷牟僮靼l(fā)生在副本上，讀操作的線程可能不會(huì)立即讀取到新修改的數(shù)據(jù)內(nèi)容，但最終修改操作會(huì)完成并更新容器，因此這是最終一致性。
• CopyOnWrite容器適用于讀多寫少的場(chǎng)景。寫操作時(shí)，需要復(fù)制一個(gè)容器，會(huì)造成很大的內(nèi)存開銷。
• 不適合于數(shù)據(jù)的強(qiáng)一致性場(chǎng)合。若要求數(shù)據(jù)修改之后立即能被讀到，則不能用寫時(shí)復(fù)制技術(shù)。因?yàn)樗亲罱K一致性。

Java寫時(shí)復(fù)制容器類

JDK中提供了CopyOnWriteArrayList類和CopyOnWriteArraySet類，實(shí)現(xiàn)了寫時(shí)復(fù)制。

減小鎖的粒度

如果我們?cè)谝粋€(gè)大的數(shù)據(jù)操作類里面，大量使用了鎖，并且還是同一個(gè)鎖，這時(shí)，我們的多線程同步效率就會(huì)變得非常低。

我們可以將數(shù)據(jù)按照不同的類型及應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分割，然后用不同的鎖進(jìn)行同步，這樣，不同的場(chǎng)景下就不會(huì)產(chǎn)生排它鎖的沖突問(wèn)題，可以大大提高同步的效率。

該方案簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是將一個(gè)大鎖，分割成多個(gè)小鎖，這樣就能顯著的提高多線程并發(fā)執(zhí)行的效率。

減小鎖的占有時(shí)間

如果在一個(gè)較大的方法中，我們直接給該方法加了一個(gè)鎖，但是我們需要同步的地方只是該方法中的一行操作代碼，這樣就是很糟糕的同步使用方式了。

我們可以將鎖細(xì)化到使用它的代碼行上，而不是整個(gè)函數(shù)都加鎖，這樣鎖的持有時(shí)間就會(huì)變少，從而提高了多線程同步的性能。

該方案是將同步塊的代碼范圍減小，從而降低鎖的持有時(shí)間，達(dá)到優(yōu)化多線程同步性能的目的。

鎖粗化

雖然說(shuō)，減少鎖的占有時(shí)間可以提高性能，但是有時(shí)候，這種方式并不適用。

例如，一個(gè)循環(huán)中，我們?cè)谘h(huán)體中，使用了鎖，這樣反而會(huì)降低性能，這時(shí)我們應(yīng)該在循環(huán)開始之前加鎖，結(jié)束之后釋放，也就是將鎖粗化。

這是為什么呢？

這是因?yàn)椋l繁的對(duì)鎖進(jìn)行請(qǐng)求、釋放、狀態(tài)修改等操作，會(huì)造成大量系統(tǒng)資源的消耗，從而降低性能。

ThreadLocal

同步效率低，是因?yàn)槎嗑€程同步等待造成的，那么我們可以換一個(gè)思路，如果讓每個(gè)線程都持有一份數(shù)據(jù)，那這樣就不會(huì)存在競(jìng)爭(zhēng)的問(wèn)題了，也就不需要同步鎖了。這樣就會(huì)很大程度上提高多線程并發(fā)的性能。

關(guān)于ThreadLocal相關(guān)實(shí)現(xiàn)原理及使用可以參考之前的文章《ThreadLocal線程本地對(duì)象原理分析》。

總結(jié)

Java中可以使用鎖來(lái)解決多線程的同步問(wèn)題，保障了數(shù)據(jù)的一致性，但也會(huì)代理很多問(wèn)題，本章總結(jié)了多線程同步的幾種優(yōu)化方案：

• 某些特定的場(chǎng)景（大多是讀多、寫少的場(chǎng)景），使用讀寫鎖會(huì)極大的提高多線程并發(fā)操作的效率。因?yàn)?，讀寫鎖中，讀鎖不是排它鎖，所以可以并發(fā)執(zhí)行，可以非常顯著的提高讀取效率；只有在寫鎖時(shí)，是排它鎖，這時(shí)需要等待寫鎖的釋放。
• Java并發(fā)庫(kù)中ReetrantReadWriteLock實(shí)現(xiàn)了ReadWriteLock接口并添加了可重入的特性。
• 寫時(shí)復(fù)制機(jī)制可以顯著提高并發(fā)效率，在并發(fā)訪問(wèn)的情景下，當(dāng)需要修改JAVA中Containers的元素時(shí)，不直接修改該容器，而是先復(fù)制一份副本，在副本上進(jìn)行修改。修改完成之后，將指向原來(lái)容器的引用指向新的容器（副本容器）。CopyOnWrite容器適用于讀多寫少的場(chǎng)景。寫操作時(shí)，需要復(fù)制一個(gè)容器，會(huì)造成很大的內(nèi)存開銷。
• 通過(guò)減小鎖的粒度，來(lái)提高同步效率。
• 減小鎖的占有時(shí)間是指，通過(guò)將同步塊的代碼范圍減小，從而降低鎖的持有時(shí)間，達(dá)到優(yōu)化多線程同步性能的目的。
• 有時(shí)，大量的鎖和鎖狀態(tài)修改會(huì)造成系統(tǒng)資源的消耗，我們可以通過(guò)鎖粗化來(lái)優(yōu)化性能。
• 我們可以換一個(gè)思路，使用ThreadLocal來(lái)提高多線程并發(fā)的性能。

到此這篇關(guān)于Java多線程的同步優(yōu)化的6種方案的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java多線程同步優(yōu)化內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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