Java多线程同步优化 Java多线程的同步优化的6种方案
卜大爷 人气:0概述
处理器上的寄存器的读写的速度比内存快几个数量级，为了解决这种速度矛盾，在它们之间加入了高速缓存。
加入高速缓存带来了一个新的问题：缓存一致性。如果多个缓存共享同一块主内存区域，那么多个缓存的数据可能会不一致，需要一些协议来解决这个问题。
在Java内存模型中，分为主内存和线程工作内存，线程使用共享数据时，先从主内存中拷贝数据到工作内存，使用完成之后再写入主内存中。
在Java中，有多线程并发时，我们可以使用多线程同步的方式来解决内存一致性的问题。通常我们可以在程序中添加同步锁来保障数据的安全访问，但是也经常会带来一些同步性能问题，那么本章将针对常见的同步问题给出了一些优化方案。
读写锁
在多线程操作下，如果我们的某些数据经常被读取操作，但非常少的时机被写入操作。这时，如果我们使用synchronized等同步方式，性能会非常低。
这种场景下，我们应该使用读写锁来进行优化。
读写锁的特点：
- 读写锁维护一对锁，读锁和写锁。
- 可以共享读，但只能一个写。
- 读读不互斥，读写互斥，写写互斥。
某些特定的场景，使用读写锁会极大的提高多线程并发操作的效率。因为，读写锁中，读锁不是排它锁，所以可以并发执行，可以非常显著的提高读取效率；只有在写锁时，是排它锁，这时需要等待写锁的释放。
ReetrantReadWriteLock
ReadWriteLock接口
Java并发包中ReadWriteLock是一个接口，抽象了读写锁方法：
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管理一组锁，一个是只读的锁，一个是写锁。
ReetrantReadWriteLock类
Java并发库中ReetrantReadWriteLock实现了ReadWriteLock接口并添加了可重入的特性。
1. ReetrantReadWriteLock获取锁顺序有两种模式：
- 非公平模式（默认）：非公平锁主张竞争获取，可能会延缓一个或多个读或写线程，但是会比公平锁有更高的吞吐量。
- 公平模式：当以公平模式初始化时，线程将会以队列的顺序获取锁。
2. 可重入
ReetrantReadWriteLock锁是可重入的，当然一个线程获取多少次锁，就必须释放多少次锁。
- 读线程获取读锁之后能够再次获取读锁。
- 写线程获取写锁之后能再次获取写锁，也可以获取读锁。
3. 锁降级
在读写锁中，锁降级：从写锁变成读锁；锁升级：从读锁变成写锁。
- ReentrantReadWriteLock是不支持锁升级的，也就是当一个线程持有了读锁，当该线程再次使用写锁时，是不可以的。如果一个线程持有了读锁，则在获取写锁之前，一定要先释放读锁。
- ReentrantReadWriteLock支持锁降级的，也就是如果当前线程是写锁的持有者，并保持获得写锁的状态，同时又获取到读锁，然后释放写锁的过程。按照获取写锁、获取读锁、再释放写锁的顺序，即写锁能够降级为读锁。
读写锁状态的设计
读写锁的状态是用一个int值来表示的。state（int32位）字段分成高16位与低16位，其中高16位表示读锁个数，低16位表示写锁个数。
例如，当前一个线程获取到了写锁，并且重入了两次，因此低16位是3，并且该线程又获取了读锁，并且重入了一次，所以高16位是2，当写锁被获取时如果读锁不为0那么读锁一定是获取写锁的这个线程。
写时复制
写时复制（Copy-on-write，简称COW）是一种计算机程序设计领域的优化策略。其核心思想是，如果有多个调用者同时要求相同资源，他们会共同获取相同的指针指向相同的资源，直到某个调用者试图修改资源的内容时，系统才会真正复制一份专用副本给该调用者，而其他调用者所见到的最初的资源仍然保持不变。这过程对其他的调用者都是透明的。此作法主要的优点是如果调用者没有修改该资源，就不会有副本被创建，因此多个调用者只是读取操作时可以共享同一份资源。
在Java中，Copy on Write这种机制通常用在集合上，在并发访问的情景下，当需要修改JAVA中Containers的元素时，不直接修改该容器，而是先复制一份副本，在副本上进行修改。修改完成之后，将指向原来容器的引用指向新的容器（副本容器）。
写时复制的特点
- 由于不会修改原始容器，只修改副本容器。因此，可以对原始容器进行并发地读。其次，实现了读操作与写操作的分离，读操作发生在原始容器上，写操作发生在副本容器上。
- 数据一致性问题：因为修改操作发生在副本上，读操作的线程可能不会立即读取到新修改的数据内容，但最终修改操作会完成并更新容器，因此这是最终一致性。
- CopyOnWrite容器适用于读多写少的场景。写操作时，需要复制一个容器，会造成很大的内存开销。
- 不适合于数据的强一致性场合。若要求数据修改之后立即能被读到，则不能用写时复制技术。因为它是最终一致性。
Java写时复制容器类
JDK中提供了CopyOnWriteArrayList类和CopyOnWriteArraySet类，实现了写时复制。
减小锁的粒度
如果我们在一个大的数据操作类里面，大量使用了锁，并且还是同一个锁，这时，我们的多线程同步效率就会变得非常低。
我们可以将数据按照不同的类型及应用场景进行分割，然后用不同的锁进行同步，这样，不同的场景下就不会产生排它锁的冲突问题，可以大大提高同步的效率。
该方案简单来说就是将一个大锁，分割成多个小锁，这样就能显著的提高多线程并发执行的效率。
减小锁的占有时间
如果在一个较大的方法中，我们直接给该方法加了一个锁，但是我们需要同步的地方只是该方法中的一行操作代码，这样就是很糟糕的同步使用方式了。
我们可以将锁细化到使用它的代码行上，而不是整个函数都加锁，这样锁的持有时间就会变少，从而提高了多线程同步的性能。
该方案是将同步块的代码范围减小，从而降低锁的持有时间，达到优化多线程同步性能的目的。
锁粗化
虽然说，减少锁的占有时间可以提高性能，但是有时候，这种方式并不适用。
例如，一个循环中，我们在循环体中，使用了锁，这样反而会降低性能，这时我们应该在循环开始之前加锁，结束之后释放，也就是将锁粗化。
这是为什么呢？
这是因为，频繁的对锁进行请求、释放、状态修改等操作，会造成大量系统资源的消耗，从而降低性能。
ThreadLocal
同步效率低，是因为多线程同步等待造成的，那么我们可以换一个思路，如果让每个线程都持有一份数据，那这样就不会存在竞争的问题了，也就不需要同步锁了。这样就会很大程度上提高多线程并发的性能。
关于ThreadLocal相关实现原理及使用可以参考之前的文章《ThreadLocal线程本地对象原理分析》。
总结
Java中可以使用锁来解决多线程的同步问题，保障了数据的一致性，但也会代理很多问题，本章总结了多线程同步的几种优化方案：
- 某些特定的场景（大多是读多、写少的场景），使用读写锁会极大的提高多线程并发操作的效率。因为，读写锁中，读锁不是排它锁，所以可以并发执行，可以非常显著的提高读取效率；只有在写锁时，是排它锁，这时需要等待写锁的释放。
- Java并发库中ReetrantReadWriteLock实现了ReadWriteLock接口并添加了可重入的特性。
- 写时复制机制可以显著提高并发效率，在并发访问的情景下，当需要修改JAVA中Containers的元素时，不直接修改该容器，而是先复制一份副本，在副本上进行修改。修改完成之后，将指向原来容器的引用指向新的容器（副本容器）。CopyOnWrite容器适用于读多写少的场景。写操作时，需要复制一个容器，会造成很大的内存开销。
- 通过减小锁的粒度，来提高同步效率。
- 减小锁的占有时间是指，通过将同步块的代码范围减小，从而降低锁的持有时间，达到优化多线程同步性能的目的。
- 有时，大量的锁和锁状态修改会造成系统资源的消耗，我们可以通过锁粗化来优化性能。
- 我们可以换一个思路，使用ThreadLocal来提高多线程并发的性能。
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