并发编程（六）------Java多线程性能优化

大家使用多线程无非是为了提高性能，但如果多线程使用不当，不但性能提升不明显，而且会使得资源消耗更大。下面列举一下可能会造成多线程性能问题的点：

• 死锁
• 过多串行化
• 过多锁竞争
• 切换上下文
• 内存同步

下面分别解析以上性能隐患

死锁

关于死锁，我们在学习操作系统的时候就知道它产生的原因和危害，这里就不从原理上去累述了，可以从下面的代码和图示重温一下死锁产生的原因：

public class LeftRightDeadlock {
    private final Object left = new Object();
    private final Object right = new Object();
    public void leftRight() {
        synchronized (left) {
            synchronized (right) {
                doSomething();
            }
        }
    }
    public void rightLeft() {
        synchronized (right) {
            synchronized (left) {
                doSomethingElse();
            }
        }
    }
}

预防和处理死锁的方法：

1）尽量不要在释放锁之前竞争其他锁

一般可以通过细化同步方法来实现，只在真正需要保护共享资源的地方去拿锁，并尽快释放锁，这样可以有效降低在同步方法里调用其他同步方法的情况

2）顺序索取锁资源

如果实在无法避免嵌套索取锁资源，则需要制定一个索取锁资源的策略，先规划好有哪些锁，然后各个线程按照一个顺序去索取，不要出现上面那个例子中不同顺序，这样就会有潜在的死锁问题

3）尝试定时锁

Java 5提供了更灵活的锁工具，可以显式地索取和释放锁。那么在索取锁的时候可以设定一个超时时间，如果超过这个时间还没索取到锁，则不会继续堵塞而是放弃此次任务，示例代码如下：

public boolean trySendOnSharedLine(String message,
                                   long timeout, TimeUnit unit)
                                   throws InterruptedException {
    long nanosToLock = unit.toNanos(timeout)
                     - estimatedNanosToSend(message);
    if (!lock.tryLock(nanosToLock, NANOSECONDS))
        return false;
    try {
        return sendOnSharedLine(message);
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

这样可以有效打破死锁条件。

4）检查死锁

JVM采用thread dump的方式来识别死锁的方式，可以通过操作系统的命令来向JVM发送thread dump的信号，这样可以查询哪些线程死锁。

过多串行化

用多线程实际上就是想并行地做事情，但这些事情由于某些依赖性必须串行工作，导致很多环节得串行化，这实际上很局限系统的可扩展性，就算加CPU加线程，但性能却没有线性增长。有个Amdahl定理可以说明这个问题：

其中，F是串行化比例，N是处理器数量，由上可知，只有尽可能减少串行化，才能最大化地提高可扩展能力。降低串行化的关键就是降低锁竞争，当很多并行任务挂在锁的获取上，就是串行化的表现

过多锁竞争

过多锁竞争的危害是不言而喻的，那么看看有哪些办法来降低锁竞争

1）缩小锁的范围

前面也谈到这一点，尽量缩小锁保护的范围，快进快出，因此尽量不要直接在方法上使用synchronized关键字，而只是在真正需要线程安全保护的地方使用

2）减小锁的粒度

Java 5提供了显式锁后，可以更为灵活的来保护共享变量。synchronized关键字（用在方法上）是默认把整个对象作为锁，实际上很多时候没有必要用这么 大一个锁，这会导致这个类所有synchronized都得串行执行。可以根据真正需要保护的共享变量作为锁，也可以使用更为精细的策略，目的就是要在真 正需要串行的时候串行，举一个例子：

public class StripedMap {
    // Synchronization policy: buckets[n] guarded by locks[n%N_LOCKS]
    private static final int N_LOCKS = 16;
    private final Node[] buckets;
    private final Object[] locks;
    private static class Node { ... }
    public StripedMap(int numBuckets) {
        buckets = new Node[numBuckets];
        locks = new Object[N_LOCKS];
        for (int i = 0; i < N_LOCKS; i++)
            locks[i] = new Object();
    }
    private final int hash(Object key) {
        return Math.abs(key.hashCode() % buckets.length);
    }
    public Object get(Object key) {
        int hash = hash(key);
        synchronized (locks[hash % N_LOCKS]) {
            for (Node m = buckets[hash]; m != null; m = m.next)
                if (m.key.equals(key))
                    return m.value;
        }
        return null;
    }
    public void clear() {
        for (int i = 0; i < buckets.length; i++) {
            synchronized (locks[i % N_LOCKS]) {
                buckets[i] = null;
            }
        }
    }
    ...
}

上面这个例子是通过hash算法来把存取的值所对应的hash值来作为锁，这样就只需要对hash值相同的对象存取串行化，而不是像HashTable那样对任何对象任何操作都串行化。

3）减少共享资源的依赖

共享资源是竞争锁的源头，在多线程开发中尽量减少对共享资源的依赖，比如对象池的技术应该慎重考虑，新的JVM对新建对象以做了足够的优化，性能非常好，如果用对象池不但不能提高多少性能，反而会因为锁竞争导致降低线程的可并发性。

4）使用读写分离锁来替换独占锁

Java 5提供了一个读写分离锁（ReadWriteLock）来实现读-读并发，读-写串行，写-写串行的特性。这种方式更进一步提高了可并发性，因为有些场景大部分是读操作，因此没必要串行工作。关于ReadWriteLock的具体使用可以参加一下示例：

public class ReadWriteMap<K,V> {
    private final Map<K,V> map;
    private final ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
    private final Lock r = lock.readLock();
    private final Lock w = lock.writeLock();
    public ReadWriteMap(Map<K,V> map) {
        this.map = map;
    }
    public V put(K key, V value) {
        w.lock();
        try {
            return map.put(key, value);
        } finally {
            w.unlock();
        }
    }
    // Do the same for remove(), putAll(), clear()
    public V get(Object key) {
        r.lock();
        try {
            return map.get(key);
        } finally {
            r.unlock();
        }
    }
    // Do the same for other read-only Map methods
}

切换上下文

线程比较多的时候，操作系统切换线程上下文的性能消耗是不能忽略的，在构建高性能web之路------web服务器长连接 可以看出在进程切换上的代价，当然线程会更轻量一些，不过道理是类似的

内存同步

当使用到synchronized、volatile或Lock的时候，都会为了保证可见性导致更多的内存同步，这就无法享受到JMM结构带来了性能优化。