关于Java多线程编程锁优化的深入学习

正文

并发环境下进行编程时，需要使用锁机制来同步多线程间的操作，保证共享资源的互斥访问。加锁会带来性能上的损坏，似乎是众所周知的事情。然而，加锁本身不会带来多少的性能消耗，性能主要是在线程的获取锁的过程。如果只有一个线程竞争锁，此时并不存在多线程竞争的情况，那么JVM会进行优化，那么这时加锁带来的性能消耗基本可以忽略。因此，规范加锁的操作，优化锁的使用方法，避免不必要的线程竞争，不仅可以提高程序性能，也能避免不规范加锁可能造成线程死锁问题，提高程序健壮性。下面阐述几种锁优化的思路。

一、尽量不要锁住方法

在普通成员函数上加锁时，线程获得的是该方法所在对象的对象锁。此时整个对象都会被锁住。这也意味着，如果这个对象提供的多个同步方法是针对不同业务的，那么由于整个对象被锁住，一个业务业务在处理时，其他不相关的业务线程也必须wait。下面的例子展示了这种情况：

LockMethod类包含两个同步方法，分别在两种业务处理中被调用：

public class LockMethod {
 public synchronized void busiA() {
  for (int i = 0; i < 10000; i++) {
   System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "deal with bussiness A:"+i);
  }
 }
 public synchronized void busiB() {
  for (int i = 0; i < 10000; i++) {
   System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "deal with bussiness B:"+i);
  }
 }
}

BUSSA是线程类，用来处理A业务，调用的是LockMethod的busiA（）方法：

public class BUSSB extends Thread {
 LockMethod lockMethod;
 void deal(LockMethod lockMethod){
  this.lockMethod = lockMethod;
 }

 @Override
 public void run() {
  super.run();
  lockMethod.busiB();
 }
}

TestLockMethod类，使用线程BUSSA与BUSSB进行业务处理：

public class TestLockMethod extends Thread {
 public static void main(String[] args) {
  LockMethod lockMethod = new LockMethod();
  BUSSA bussa = new BUSSA();
  BUSSB bussb = new BUSSB();
  bussa.deal(lockMethod);
  bussb.deal(lockMethod);
  bussa.start();
  bussb.start();
 }
}

运行程序，可以看到在线程bussa 执行的过程中，bussb是不能够进入函数 busiB()的，因为此时lockMethod 的对象锁被线程bussa获取了。

二、缩小同步代码块，只锁数据

有时候为了编程方便，有些人会synchnoized很大的一块代码，如果这个代码块中的某些操作与共享资源并不相关，那么应当把它们放到同步块外部，避免长时间的持有锁，造成其他线程一直处于等待状态。尤其是一些循环操作、同步I/O操作。不止是在代码的行数范围上缩小同步块，在执行逻辑上，也应该缩小同步块，例如多加一些条件判断，符合条件的再进行同步，而不是同步之后再进行条件判断，尽量减少不必要的进入同步块的逻辑。

三、锁中尽量不要再包含锁

这种情况经常发生，线程在得到了A锁之后，在同步方法块中调用了另外对象的同步方法，获得了第二个锁，这样可能导致一个调用堆栈中有多把锁的请求，多线程情况下可能会出现很复杂、难以分析的异常情况，导致死锁的发生。下面的代码显示了这种情况：

synchronized(A){
 synchronized(B){
  } 
}

或是在同步块中调用了同步方法：

synchronized(A){
 B b = objArrayList.get(0);
 b.method(); //这是一个同步方法
}

解决的办法是跳出来加锁，不要包含加锁：

{
  B b = null;
 synchronized(A){
 b = objArrayList.get(0);
 }
 b.method();
}

四、将锁私有化，在内部管理锁

把锁作为一个私有的对象，外部不能拿到这个对象，更安全一些。对象可能被其他线程直接进行加锁操作，此时线程便持有了该对象的对象锁，例如下面这种情况：

class A {
 public void method1() {
 }
}
class B {
 public void method1() {
  A a = new A();
  synchronized (a) { //直接进行加锁　　　　　　a.method1();
  }
 }
}

这种使用方式下，对象a的对象锁被外部所持有，让这把锁在外部多个地方被使用是比较危险的，对代码的逻辑流程阅读也造成困扰。一种更好的方式是在类的内部自己管理锁，外部需要同步方案时，也是通过接口方式来提供同步操作：

class A {
 private Object lock = new Object();
 public void method1() {
  synchronized (lock){
   
  }
 }
}
class B {
 public void method1() {
  A a = new A();
  a.method1();
 }
}

五、进行适当的锁分解

考虑下面这段程序：

public class GameServer {
 public Map<String, List<Player>> tables = new HashMap<String, List<Player>>();
 public void join(Player player, Table table) {
 if (player.getAccountBalance() > table.getLimit()) {
  synchronized (tables) {
  List<Player> tablePlayers = tables.get(table.getId());
  if (tablePlayers.size() < 9) {
   tablePlayers.add(player);
  }
  }
 }
 }
 public void leave(Player player, Table table) {/*省略*/} 
 public void createTable() {/*省略*/} 
 public void destroyTable(Table table) {/*省略*/}
}

在这个例子中，join方法只使用一个同步锁，来获取tables中的List<Player>对象，然后判断玩家数量是不是小于9，如果是，就调增加一个玩家。当有成千上万个List<Player>存在tables中时，对tables锁的竞争将非常激烈。在这里，我们可以考虑进行锁的分解：快速取出数据之后，对List<Player>对象进行加锁，让其他线程可快速竞争获得tables对象锁：

public class GameServer {
    public Map < String,
    List < Player >> tables = new HashMap < String,
    List < Player >> ();
    public void join(Player player, Table table) {
        if (player.getAccountBalance() > table.getLimit()) {
            List < Player > tablePlayers = null;
            synchronized(tables) {
                tablePlayers = tables.get(table.getId());
            }
            synchronized(tablePlayers) {
                if (tablePlayers.size() < 9) {
                    tablePlayers.add(player);
                }
            }
        }
    }
    public void leave(Player player, Table table) {
        /*省略*/
    }
    public void createTable() {
        /*省略*/
    }
    public void destroyTable(Table table) {
        /*省略*/
    }
}