探索并发编程（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：

[java] view plain copy

1. publicclassLeftRightDeadlock{
2. privatefinalObjectleft=newObject();
3. privatefinalObjectright=newObject();
4. publicvoidleftRight(){
5. synchronized(left){
6. synchronized(right){
7. doSomething();
8. }
9. }
10. }
11. publicvoidrightLeft(){
12. synchronized(right){
13. synchronized(left){
14. doSomethingElse();
15. }
16. }
17. }
18. }

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：

[java] view plain copy

1. publicbooleantrySendOnSharedLine(Stringmessage,
2. longtimeout,TimeUnitunit)
3. throwsInterruptedException{
4. longnanosToLock=unit.toNanos(timeout)
5. -estimatedNanosToSend(message);
6. if(!lock.tryLock(nanosToLock,NANOSECONDS))
7. returnfalse;
8. try{
9. returnsendOnSharedLine(message);
10. }finally{
11. lock.unlock();
12. }
13. }

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：

[java] view plain copy

1. publicclassStripedMap{
2. //Synchronizationpolicy:buckets[n]guardedbylocks[n%N_LOCKS]
3. privatestaticfinalintN_LOCKS=16;
4. privatefinalNode[]buckets;
5. privatefinalObject[]locks;
6. privatestaticclassNode{...}
7. publicStripedMap(intnumBuckets){
8. buckets=newNode[numBuckets];
9. locks=newObject[N_LOCKS];
10. for(inti=0;i<N_LOCKS;i++)
11. locks[i]=newObject();
12. }
13. privatefinalinthash(Objectkey){
14. returnMath.abs(key.hashCode()%buckets.length);
15. }
16. publicObjectget(Objectkey){
17. inthash=hash(key);
18. synchronized(locks[hash%N_LOCKS]){
19. for(Nodem=buckets[hash];m!=null;m=m.next)
20. if(m.key.equals(key))
21. returnm.value;
22. }
23. returnnull;
24. }
25. publicvoidclear(){
26. for(inti=0;i<buckets.length;i++){
27. synchronized(locks[i%N_LOCKS]){
28. buckets[i]=null;
29. }
30. }
31. }
32. ...
33. }

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：

[java] view plain copy

1. publicclassReadWriteMap<K,V>{
2. privatefinalMap<K,V>map;
3. privatefinalReadWriteLocklock=newReentrantReadWriteLock();
4. privatefinalLockr=lock.readLock();
5. privatefinalLockw=lock.writeLock();
6. publicReadWriteMap(Map<K,V>map){
7. this.map=map;
8. }
9. publicVput(Kkey,Vvalue){
10. w.lock();
11. try{
12. returnmap.put(key,value);
13. }finally{
14. w.unlock();
15. }
16. }
17. //Dothesameforremove(),putAll(),clear()
18. publicVget(Objectkey){
19. r.lock();
20. try{
21. returnmap.get(key);
22. }finally{
23. r.unlock();
24. }
25. }
26. //Dothesameforotherread-onlyMapmethods
27. }

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。