Java性能 -- Lock优化

Lock / synchronized

Lock锁的基本操作是通过乐观锁实现的,由于Lock锁也会在阻塞时被挂起,依然属于悲观锁

synchronized Lock
实现方式 JVM层实现 Java底层代码实现
锁的获取 JVM隐式获取 lock() / tryLock() / tryLock(timeout, unit) / lockInterruptibly()
锁的释放 JVM隐式释放 unlock()
锁的类型 非公平锁、可重入 非公平锁/公平锁、可重入
锁的状态 不可中断 可中断
锁的性能 高并发下会升级为重量级锁 更稳定

实现原理

  1. Lock锁是基于Java实现的锁,Lock是一个接口
    • 常见的实现类:ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock,都是依赖AbstractQueuedSynchronizer(AQS)实现
  2. AQS中包含了一个基于链表实现的等待队列(即CLH队列),用于存储所有阻塞的线程
  3. AQS中有一个state变量,该变量对ReentrantLock来说表示加锁状态
  4. AQS中的CLH队列的所有操作均通过CAS操作实现的

锁分离优化

ReentrantReadWriteLock

  1. ReentrantLock是一个独占锁,同一时间只允许一个线程访问
  2. ReentrantReadWriteLock允许多个读线程同时访问,但不允许写线程和读线程、写线程和写线程同时访问
    • ReentrantReadWriteLock内部维护了两把锁,一把用于读操作的ReadLock,一把用于写操作的WriteLock
  3. ReentrantReadWriteLock如何保证共享资源的原子性?ReentrantReadWriteLock也是基于AQS实现的
    • 自定义同步器(继承AQS)需要在同步状态state上维护多个读线程一个写线程的状态
    • ReentrantReadWriteLock利用了高低位,来实现一个整型控制两种状态的功能
      • 同步状态state切分为两部分,高16位表示读低16位表示写

获取写锁

  1. 一个线程尝试获取写锁时,会先判断同步状态state是否为0
    • 如果state为0,说明暂时没有其他线程获取锁
    • 如果state不为0,说明其它线程获取了锁
  2. 当state不为0时,会再去判断同步状态state的低16位(w)是否为0
    • 如果w为0,说明其它线程获取了读锁,此时直接进入CLH队列进行阻塞等待(因为读锁与写锁互斥
    • 如果w不为0,说明有线程获取了写锁,此时要判断是不是当前线程获取了写锁
      • 如果不是,进入CLH队列进行阻塞等待
      • 如果是,就应该判断当前线程获取写锁是否超过最大次数,如果超过,抛出异常,否则更新同步状态state

获取读锁

  1. 一个线程尝试获取读锁时,同样会先判断同步状态state是否为0
    • 如果state为0,说明暂时没有其他线程获取锁,此时需要判断是否需要阻塞
      • 如果需要阻塞,则进入CLH队列进行阻塞等待
      • 如果不需要阻塞,则CAS更新state为读状态
    • 如果state不为0,说明其它线程获取了锁
  2. 当state不为0时,会同步判断同步状态state的低16位
    • 如果存在写锁,直接进入CLH阻塞队列
    • 反之,判断当前线程是否应该被阻塞,如果不应该被阻塞则尝试CAS同步状态,获取成功更新同步锁为读状态

StampedLock

  1. ReentrantReadWriteLock被很好地应用在读多写少的并发场景中,但会存在写线程饥饿的问题
    • Java 8引入StampedLock解决了这个问题
  2. StampedLock不是基于AQS实现的,但实现原理与AQS类似,都是基于队列锁状态
  3. StampedLock有三种模式:悲观读乐观读,StampedLock在获取锁时会返回一个票据stamp
  4. 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(表示锁的版本
    • WriteLock是一个独占锁,同时只能有一个线程可以获取WriteLock
    • 当一个线程获取WriteLock后,其他请求的线程必须等待
      • 当没有其他线程持有读锁或者写锁时才可以获得WriteLock
  5. 一个读线程获取读锁的过程中,首先会通过tryOptimisticRead获取一个票据stamp
    • 如果当前没有线程持有写锁,会返回一个非0的stamp
    • 然后调用validate验证之前调用tryOptimisticRead返回的stamp在当前是否有其他线程持有了写锁
      • 如果是,那么validate返回0,升级为悲观锁
  6. 相对于ReentrantReadWriteLock,StampedLock获取读锁只使用了与或操作进行校验,不涉及CAS操作
    • 即使第一次乐观锁获取失败,也会马上升级为悲观锁,可以避免一直进行CAS操作而带来的CPU性能消耗问题
  7. 但StampedLock并没有被广泛使用,有几个主要原因
    • StampedLock的功能仅仅只是ReadWriteLock的子集
    • StampedLock不支持重入!!
    • StampedLock的悲观读锁、写锁都不支持条件变量(不符合管程模型
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public class Point {
private double x, y;
private final StampedLock lock = new StampedLock();

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

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

小结

  1. 不管使用synchronized同步锁还是Lock同步锁,只要存在锁竞争就会产生线程阻塞,导致线程频繁切换,增加性能消耗
  2. 优化锁的关键:降低锁竞争
    • synchronized同步锁:减少锁粒度减少锁占用时间
    • Lock同步锁:锁分离
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