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面試官：講講高并發(fā)場景下如何優(yōu)化加鎖方式？

作者個人研發(fā)的在高并發(fā)場景下，提供的簡單、穩(wěn)定、可擴展的延遲消息隊列框架，具有精準的定時任務(wù)和延遲隊列處理功能。自開源半年多以來，已成功為十幾家中小型企業(yè)提供了精準定時調(diào)度方案，經(jīng)受住了生產(chǎn)環(huán)境的考驗。為使更多童鞋受益，現(xiàn)給出開源框架地址：

https://github.com/sunshinelyz/mykit-delay

寫在前面

很多時候，我們在并發(fā)編程中，涉及到加鎖操作時，對代碼塊的加鎖操作真的合理嗎?還有沒有需要優(yōu)化的地方呢?

問題闡述

在《【高并發(fā)】優(yōu)化加鎖方式時竟然死鎖了!!》一文中，我們介紹了產(chǎn)生死鎖時的四個必要條件，只有四個條件同時具備時才能發(fā)生死鎖。其中，我們在阻止請求與保持條件時，采用了一次性申請所有的資源的方式。例如在我們完成轉(zhuǎn)賬操作的過程中，我們一次性申請賬戶A和賬戶B，兩個賬戶都申請成功后，再執(zhí)行轉(zhuǎn)賬的操作。其中，在我們實現(xiàn)的轉(zhuǎn)賬方法中，使用了死循環(huán)來循環(huán)獲取資源，直到同時獲取到賬戶A和賬戶B為止，核心代碼如下所示。

 
 
 
 
      
  
  
  
  1. //一次申請轉(zhuǎn)出賬戶和轉(zhuǎn)入賬戶，直到成功 
    2.   
  
  
  
  2. while(!requester.applyResources(this, target)){ 
    3.   
  
  
  
  3.     //循環(huán)體為空 
    4.   
  
  
  
  4.     ; 
    5.   
  
  
  
  5. } 
    6.

如果ResourcesRequester類的applyResources()方法執(zhí)行的時間非常短，并且程序并發(fā)帶來的沖突不大，程序循環(huán)幾次到幾十次就可以同時獲取到轉(zhuǎn)出賬戶和轉(zhuǎn)入賬戶，這種方案就是可行的。

但是，如果ResourcesRequester類的applyResources()方法執(zhí)行的時間比較長，或者說，程序并發(fā)帶來的沖突比較大，此時，可能需要循環(huán)成千上萬次才能同時獲取到轉(zhuǎn)出賬戶和轉(zhuǎn)入賬戶。這樣就太消耗CPU資源了，此時，這種方案就是不可行的了。

那么，有沒有什么方式對這種方案進行優(yōu)化呢?

問題分析

既然使用死循環(huán)一直獲取資源這種方案存在問題，那我們換位思考一下。當線程執(zhí)行時，發(fā)現(xiàn)條件不滿足，是不是可以讓線程進入等待狀態(tài)?當條件滿足的時候，通知等待的線程重新執(zhí)行?

也就是說，如果線程需要的條件不滿足，我們就讓線程進入等待狀態(tài);如果線程需要的條件滿足時，我們再通知等待的線程重新執(zhí)行。這樣，就能夠避免程序進行循環(huán)等待進而消耗CPU的問題。

那么，問題又來了!當條件不滿足時，如何實現(xiàn)讓線程等待?當條件滿足時，又如何喚醒線程呢?

不錯，這是個問題!不過這個問題解決起來也非常簡單。簡單的說，就是使用線程的等待與通知機制。

線程的等待與通知機制

我們可以使用線程的等待與通知機制來優(yōu)化阻止請求與保持條件時，循環(huán)獲取賬戶資源的問題。具體的等待與通知機制如下所示。

執(zhí)行的線程首先獲取互斥鎖，如果線程繼續(xù)執(zhí)行時，需要的條件不滿足，則釋放互斥鎖，并進入等待狀態(tài);當線程繼續(xù)執(zhí)行需要的條件滿足時，就通知等待的線程，重新獲取互斥鎖。

那么，說了這么多，Java支持這種線程的等待與通知機制嗎?其實，這個問題問的就有點廢話了，Java這么優(yōu)秀(牛逼)的語言肯定支持啊，而且實現(xiàn)起來也比較簡單。

Java實現(xiàn)線程的等待與通知機制

實現(xiàn)方式

其實，使用Java語言實現(xiàn)線程的等待與通知機制有多種方式，這里我就簡單的列舉一種方式，其他的方式大家可以自行思考和實現(xiàn)，有不懂的地方也可以問我!

在Java語言中，實現(xiàn)線程的等待與通知機制，一種簡單的方式就是使用synchronized并結(jié)合wait()、notify()和notifyAll()方法來實現(xiàn)。

實現(xiàn)原理

我們使用synchronized加鎖時，只允許一個線程進入synchronized保護的代碼塊，也就是臨界區(qū)。如果一個線程進入了臨界區(qū)，則其他的線程會進入阻塞隊列里等待，這個阻塞隊列和synchronized互斥鎖是一對一的關(guān)系，也就是說，一把互斥鎖對應(yīng)著一個獨立的阻塞隊列。

在并發(fā)編程中，如果一個線程獲得了synchronized互斥鎖，但是不滿足繼續(xù)向下執(zhí)行的條件，則需要進入等待狀態(tài)。此時，可以使用Java中的wait()方法來實現(xiàn)。當調(diào)用wait()方法后，當前線程就會被阻塞，并且會進入一個等待隊列中進行等待，這個由于調(diào)用wait()方法而進入的等待隊列也是互斥鎖的等待隊列。而且，線程在進入等待隊列的同時，會釋放自身獲得的互斥鎖，這樣，其他線程就有機會獲得互斥鎖，進而進入臨界區(qū)了。整個過程可以表示成下圖所示。

當線程執(zhí)行的條件滿足時，可以使用Java提供的notify()和notifyAll()方法來通知互斥鎖等待隊列中的線程，我們可以使用下圖來簡單的表示這個過程。

這里，需要注意如下事項：

(1)使用notify()和notifyAll()方法通知線程時，調(diào)用notify()和notifyAll()方法時，滿足線程的執(zhí)行條件，但是當線程真正執(zhí)行的時候，條件可能已經(jīng)不再滿足了，可能有其他線程已經(jīng)進入臨界區(qū)執(zhí)行。

(2)被通知的線程繼續(xù)執(zhí)行時，需要先獲取互斥鎖，因為在調(diào)用wait()方法等待時已經(jīng)釋放了互斥鎖。

(3)wait()、notify()和notifyAll()方法操作的隊列是互斥鎖的等待隊列，如果synchronized鎖定的是this對象，則一定要使用this.wait()、this.notify()和this.notifyAll()方法;如果synchronized鎖定的是target對象，則一定要使用target.wait()、target.notify()和target.notifyAll()方法。

(4)wait()、notify()和notifyAll()方法調(diào)用的前提是已經(jīng)獲取了相應(yīng)的互斥鎖，也就是說，wait()、notify()和notifyAll()方法都是在synchronized方法中或代碼塊中調(diào)用的。如果在synchronized方法外或代碼塊外調(diào)用了三個方法，或者鎖定的對象是this，使用target對象調(diào)用三個方法的話，JVM會拋出java.lang.IllegalMonitorStateException異常。

具體實現(xiàn)

實現(xiàn)邏輯

在實現(xiàn)之前，我們還需要考慮以下幾個問題：

  • 選擇哪個互斥鎖

在之前的程序中，我們在TansferAccount類中，存在一個ResourcesRequester 類的單例對象，所以，我們是可以使用this作為互斥鎖的。這一點大家需要重點理解。

  • 線程執(zhí)行轉(zhuǎn)賬操作的條件

轉(zhuǎn)出賬戶和轉(zhuǎn)入賬戶都沒有被分配過。

  • 線程什么時候進入等待狀態(tài)

線程繼續(xù)執(zhí)行需要的條件不滿足的時候，進入等待狀態(tài)。

  • 什么時候通知等待的線程執(zhí)行

當存在線程釋放賬戶的資源時，通知等待的線程繼續(xù)執(zhí)行。

綜上，我們可以得出以下核心代碼。

 
 
 
 
      
  
  
  
  1. while(不滿足條件){ 
    2.   
  
  
  
  2.     wait(); 
    3.   
  
  
  
  3. } 
    4.

那么，問題來了!為何是在while循環(huán)中調(diào)用wait()方法呢?因為當wait()方法返回時，有可能線程執(zhí)行的條件已經(jīng)改變，也就是說，之前條件是滿足的，但是現(xiàn)在已經(jīng)不滿足了，所以要重新檢驗條件是否滿足。

實現(xiàn)代碼

我們優(yōu)化后的ResourcesRequester類的代碼如下所示。

 
 
 
 
      
  
  
  
  1. public class ResourcesRequester{ 
    2.   
  
  
  
  2.     //存放申請資源的集合 
    3.   
  
  
  
  3.     private List resources = new ArrayList();   
  
  
  
  4.     //一次申請所有的資源 
    5.   
  
  
  
  5.     public synchronized void applyResources(Object source, Object target){ 
    6.   
  
  
  
  6.         while(resources.contains(source) || resources.contains(target)){ 
    7.   
  
  
  
  7.             try{ 
    8.   
  
  
  
  8.                 wait(); 
    9.   
  
  
  
  9.             }catch(Exception e){ 
    10.   
  
  
  
  10.                 e.printStackTrace(); 
    11.   
  
  
  
  11.             } 
    12.   
  
  
  
  12.         } 
    13.   
  
  
  
  13.         resources.add(source); 
    14.   
  
  
  
  14.         resources.add(targer); 
    15.   
  
  
  
  15.     } 
    16.   
  
  
  
  16.      
    17.   
  
  
  
  17.     //釋放資源 
    18.   
  
  
  
  18.     public synchronized void releaseResources(Object source, Object target){ 
    19.   
  
  
  
  19.         resources.remove(source); 
    20.   
  
  
  
  20.         resources.remove(target); 
    21.   
  
  
  
  21.         notifyAll(); 
    22.   
  
  
  
  22.     } 
    23.   
  
  
  
  23. } 
    24.  
 
 

    生成ResourcesRequester單例對象的Holder類ResourcesRequesterHolder的代碼如下所示。
     
 
 
 
        
  
  
  
    1. public class ResourcesRequesterHolder{ 
      2.   
  
  
  
    2.     private ResourcesRequesterHolder(){} 
      3.   
  
  
  
    3.      
      4.   
  
  
  
    4.     public static ResourcesRequester getInstance(){ 
      5.   
  
  
  
    5.         return Singleton.INSTANCE.getInstance(); 
      6.   
  
  
  
    6.     } 
      7.   
  
  
  
    7.     private enum Singleton{ 
      8.   
  
  
  
    8.         INSTANCE; 
      9.   
  
  
  
    9.         private ResourcesRequester singleton; 
      10.   
  
  
  
    10.         Singleton(){ 
      11.   
  
  
  
    11.             singleton = new ResourcesRequester(); 
      12.   
  
  
  
    12.         } 
      13.   
  
  
  
    13.         public ResourcesRequester getInstance(){ 
      14.   
  
  
  
    14.             return singleton; 
      15.   
  
  
  
    15.         } 
      16.   
  
  
  
    16.     } 
      17.   
  
  
  
    17. } 
      18.  
 
 

    執(zhí)行轉(zhuǎn)賬操作的類的代碼如下所示。
     
 
 
 
        
  
  
  
    1. public class TansferAccount{ 
      2.   
  
  
  
    2.     //賬戶的余額 
      3.   
  
  
  
    3.     private Integer balance; 
      4.   
  
  
  
    4.     //ResourcesRequester類的單例對象 
      5.   
  
  
  
    5.     private ResourcesRequester requester; 
      6.   
  
  
  
    6.     
      7.   
  
  
  
    7.     public TansferAccount(Integer balance){ 
      8.   
  
  
  
    8.         this.balance = balance; 
      9.   
  
  
  
    9.         this.requester = ResourcesRequesterHolder.getInstance(); 
      10.   
  
  
  
    10.     } 
      11.   
  
  
  
    11.     //轉(zhuǎn)賬操作 
      12.   
  
  
  
    12.     public void transfer(TansferAccount target, Integer transferMoney){ 
      13.   
  
  
  
    13.         //一次申請轉(zhuǎn)出賬戶和轉(zhuǎn)入賬戶，直到成功 
      14.   
  
  
  
    14.         requester.applyResources(this, target)) 
      15.   
  
  
  
    15.         try{ 
      16.   
  
  
  
    16.             //對轉(zhuǎn)出賬戶加鎖 
      17.   
  
  
  
    17.             synchronized(this){ 
      18.   
  
  
  
    18.                 //對轉(zhuǎn)入賬戶加鎖 
      19.   
  
  
  
    19.                 synchronized(target){ 
      20.   
  
  
  
    20.                     if(this.balance >= transferMoney){ 
      21.   
  
  
  
    21.                         this.balance -= transferMoney; 
      22.   
  
  
  
    22.                         target.balance += transferMoney; 
      23.   
  
  
  
    23.                     }    
      24.   
  
  
  
    24.                 } 
      25.   
  
  
  
    25.             } 
      26.   
  
  
  
    26.         }finally{ 
      27.   
  
  
  
    27.             //最后釋放賬戶資源 
      28.   
  
  
  
    28.             requester.releaseResources(this, target); 
      29.   
  
  
  
    29.         } 
      30.   
  
  
  
    30.     } 
      31.   
  
  
  
    31. } 
      32.  
 
 

    可以看到，我們在程序中通知處于等待狀態(tài)的線程時，使用的是notifyAll()方法而不是notify()方法。那notify()方法和notifyAll()方法兩者有什么區(qū)別呢?
    notify()和notifyAll()的區(qū)別
    • notify()方法
    隨機通知等待隊列中的一個線程。
    • notifyAll()方法
    通知等待隊列中的所有線程。
    在實際工作過程中，如果沒有特殊的要求，盡量使用notifyAll()方法。因為使用notify()方法是有風險的，可能會導致某些線程永久不會被通知到!
     本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號「 冰河技術(shù)」，可以通過以下二維碼關(guān)注。轉(zhuǎn)載本文請聯(lián)系 冰河技術(shù)公眾號。
                                                    
    
                                                當前名稱：面試官：講講高并發(fā)場景下如何優(yōu)化加鎖方式？                                                
    
                                                網(wǎng)頁URL：http://www.dlmjj.cn/article/cogcegh.html