让人恶心的多线程代码，性能怎么优化！

Java 中最烦人的，就是多线程，一不小心，代码写的比单线程还慢，这就让人非常尴尬。

通常情况下，我们会使用 ThreadLocal 实现线程封闭，比如避免 SimpleDateFormat 在并发环境下所引起的一些不一致情况。其实还有一种解决方式。通过对parse方法进行加锁，也能保证日期处理类的正确运行，代码如图。

1. 锁很坏

但是，锁这个东西，很坏。就像你的贞操锁，一开一闭热情早已烟消云散。

所以，锁对性能的影响，是非常大的。对资源加锁以后，资源就被加锁的线程所独占，其他的线程就只能排队等待这个锁。此时，程序由并行执行，变相的变成了顺序执行，执行速度自然就降低了。

下面是开启了50个线程，使用ThreadLocal和同步锁方式性能的一个对比。

Benchmark                                 Mode  Cnt     Score      Error   Units
SynchronizedNormalBenchmark.sync         thrpt   10  2554.628 ± 5098.059  ops/ms
SynchronizedNormalBenchmark.threadLocal  thrpt   10  3750.902 ±  103.528  ops/ms
========去掉业务影响========  
Benchmark                                 Mode  Cnt        Score        Error   Units
SynchronizedNormalBenchmark.sync         thrpt   10    26905.514 ±   1688.600  ops/ms
SynchronizedNormalBenchmark.threadLocal  thrpt   10  7041876.244 ± 355598.686  ops/ms

可以看到，使用同步锁的方式，性能是比较低的。如果去掉业务本身逻辑的影响（删掉执行逻辑），这个差异会更大。代码执行的次数越多，锁的累加影响越大，对锁本身的速度优化，是非常重要的。

我们都知道，Java 中有两种加锁的方式，一种就是常见的synchronized 关键字，另外一种，就是使用 concurrent 包里面的 Lock。针对于这两种锁，JDK 自身做了很多的优化，它们的实现方式也是不同的。

2. synchronied原理

synchronized关键字给代码或者方法上锁时，都有显示的或者隐藏的上锁对象。当一个线程试图访问同步代码块时，它首先必须得到锁，退出或抛出异常时必须释放锁。

给普通方法加锁时，上锁的对象是this
给静态方法加锁时，锁的是class对象。
给代码块加锁，可以指定一个具体的对象作为锁

monitor，在操作系统里，其实就叫做管程。

那么，synchronized 在字节码中，是怎么体现的呢？参照下面的代码，在命令行执行javac，然后再执行javap -v -p，就可以看到它具体的字节码。可以看到，在字节码的体现上，它只给方法加了一个flag：ACC_SYNCHRONIZED。

synchronized void syncMethod() {
  System.out.println("syncMethod");
}
======字节码=====
synchronized void syncMethod();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_SYNCHRONIZED
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: getstatic     #4                 
         3: ldc           #5                         
         5: invokevirtual #6           
         8: return

我们再来看下同步代码块的字节码。可以看到，字节码是通过monitorenter和monitorexit两个指令进行控制的。

void syncBlock(){
    synchronized (Test.class){
    }
}
======字节码======
void syncBlock();
    descriptor: ()V
    flags:
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         0: ldc           #2 
         2: dup
         3: astore_1
         4: monitorenter
         5: aload_1
         6: monitorexit
         7: goto          15
        10: astore_2
        11: aload_1
        12: monitorexit
        13: aload_2
        14: athrow
        15: return
      Exception table:
         from    to  target type
             5     7    10   any
            10    13    10   any

这两者虽然显示效果不同，但他们都是通过monitor来实现同步的。我们可以通过下面这张图，来看一下monitor的原理。

注意了，下面是面试题目高发地。

如图所示，我们可以把运行时的对象锁抽象的分成三部分。其中，EntrySet 和WaitSet 是两个队列，中间虚线部分是当前持有锁的线程。我们可以想象一下线程的执行过程。

当第一个线程到来时，发现并没有线程持有对象锁，它会直接成为活动线程，进入 RUNNING 状态。

接着又来了三个线程，要争抢对象锁。此时，这三个线程发现锁已经被占用了，就先进入 EntrySet 缓存起来，进入 BLOCKED 状态。此时，从jstack命令，可以看到他们展示的信息都是waiting for monitor entry。

"http-nio-8084-exec-120" #143 daemon prio=5 os_prio=31 cpu=122.86ms elapsed=317.88s tid=0x00007fedd8381000 nid=0x1af03 waiting for monitor entry  [0x00007000150e1000]
   java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
    at java.io.BufferedInputStream.read(java.base@13.0.1/BufferedInputStream.java:263)
    - waiting to lock <0x0000000782e1b590> (a java.io.BufferedInputStream)
    at org.apache.commons.httpclient.HttpParser.readRawLine(HttpParser.java:78)
    at org.apache.commons.httpclient.HttpParser.readLine(HttpParser.java:106)
    at org.apache.commons.httpclient.HttpConnection.readLine(HttpConnection.java:1116)
    at org.apache.commons.httpclient.HttpMethodBase.readStatusLine(HttpMethodBase.java:1973)
    at org.apache.commons.httpclient.HttpMethodBase.readResponse(HttpMethodBase.java:1735)

处于活动状态的线程，执行完毕退出了；或者由于某种原因执行了wait 方法，释放了对象锁，就会进入 WaitSet 队列。这就是在调用wait之前，需要先获得对象锁的原因。就像下面的代码：

synchronized (lock){
    try {
         lock.wait();
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

此时，jstack显示的线程状态是 WAITING 状态，而原因是in Object.wait()。

"wait-demo" #12 prio=5 os_prio=31 cpu=0.14ms elapsed=12.58s tid=0x00007fb66609e000 nid=0x6103 in Object.wait()  [0x000070000f2bd000]
   java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)
    at java.lang.Object.wait(java.base@13.0.1/Native Method)
    - waiting on <0x0000000787b48300> (a java.lang.Object)
    at java.lang.Object.wait(java.base@13.0.1/Object.java:326)
    at WaitDemo.lambda$main$0(WaitDemo.java:7)
    - locked <0x0000000787b48300> (a java.lang.Object)
    at WaitDemo$$Lambda$14/0x0000000800b44840.run(Unknown Source)
    at java.lang.Thread.run(java.base@13.0.1/Thread.java:830)

发生了这两种情况，都会造成对象锁的释放。进而导致 EntrySet里的线程重新争抢对象锁，成功抢到锁的线程成为活动线程，这是一个循环的过程。

那 WaitSet 中的线程是如何再次被激活的呢？接下来，在某个地方，执行了锁的 notify 或者 notifyAll 命令，会造成WaitSet中的线程，转移到 EntrySet 中，重新进行锁的争夺。

如此周而复始，线程就可按顺序排队执行。

3. 分级锁

JDK1.8中，synchronized 的速度已经有了显著的提升。那它都做了哪些优化呢？答案就是分级锁。JVM会根据使用情况，对synchronized 的锁，进行升级，它大体可以按照下面的路径：偏向锁->轻量级锁->重量级锁。

锁只能升级，不能降级，所以一旦升级为重量级锁，就只能依靠操作系统进行调度。

和锁升级关系最大的就是对象头里的 MarkWord，它包含Thread ID、Age、Biased、Tag四个部分。其中，Biased 有1bit大小，Tag 有2bit，锁升级就是靠判断Thread Id、Biased、Tag等三个变量值来进行的。

偏向锁

在只有一个线程使用了锁的情况下，偏向锁能够保证更高的效率。

具体过程是这样的。当第一个线程第一次访问同步块时，会先检测对象头Mark Word中的标志位Tag是否为01，以此判断此时对象锁是否处于无锁状态或者偏向锁状态（匿名偏向锁）。

01也是锁默认的状态，线程一旦获取了这把锁，就会把自己的线程ID写到MarkWord中。在其他线程来获取这把锁之前，锁都处于偏向锁状态。

轻量级锁

当下一个线程参与到偏向锁竞争时，会先判断 MarkWord 中保存的线程 ID 是否与这个线程 ID 相等，如果不相等，会立即撤销偏向锁，升级为轻量级锁。

轻量级锁的获取是怎么进行的呢？它们使用的是自旋方式。

参与竞争的每个线程，会在自己的线程栈中生成一个 LockRecord ( LR )，然后每个线程通过 CAS （自旋）的方式，将锁对象头中的 MarkWord 设置为指向自己的 LR 的指针，哪个线程设置成功，就意味着哪个线程获得锁。

当锁处于轻量级锁的状态时，就不能够再通过简单的对比Tag的值进行判断，每次对锁的获取，都需要通过自旋。

当然，自旋也是面向不存在锁竞争的场景，比如一个线程运行完了，另外一个线程去获取这把锁。但如果自旋失败达到一定的次数，锁就会膨胀为重量级锁。

重量级锁

重量级锁即为我们对synchronized的直观认识，这种情况下，线程会挂起，进入到操作系统内核态，等待操作系统的调度，然后再映射回用户态。系统调用是昂贵的，重量级锁的名称由此而来。

如果系统的共享变量竞争非常激烈，锁会迅速膨胀到重量级锁，这些优化就名存实亡。如果并发非常严重，可以通过参数-XX:-UseBiasedLocking禁用偏向锁，理论上会有一些性能提升，但实际上并不确定。

4. Lock

在 concurrent 包里，我们能够发现ReentrantLock和ReentrantReadWriteLock两个类。Reentrant就是可重入的意思，它们和synchronized关键字一样，都是可重入锁。

这里有必要解释一下可重入这个概念，因为在面试的时候经常被问到。它的意思是，一个线程运行时，可以多次获取同一个对象锁。这是因为Java的锁是基于线程的，而不是基于调用的。比如下面这段代码，由于方法a、b、c锁的都是当前的this，线程在调用a方法的时候，就不需要多次获取对象锁。

public synchronized void a(){
    b();
}
public synchronized void b(){
    c();
}
public synchronized void c(){
}

主要方法

LOCK是基于AQS（AbstractQueuedSynchronizer）实现的，而AQS 是基于 volitale 和 CAS 实现的。关于CAS，我们将在下一课时讲解。

Lock与synchronized的使用方法不同，它需要手动加锁，然后在finally中解锁。Lock接口比synchronized灵活性要高，我们来看一下几个关键方法。

lock： lock方法和synchronized没什么区别，如果获取不到锁，都会被阻塞
tryLock：此方法会尝试获取锁，不管能不能获取到锁，都会立即返回，不会阻塞。它是有返回值的，获取到锁就会返回true
tryLock(long time, TimeUnit unit)：与tryLock类似，但它在拿不到锁的情况下，会等待一段时间，直到超时
lockInterruptibly：与lock类似，但是可以锁等待可以被中断，中断后返回InterruptedException

一般情况下，使用lock方法就可以。但如果业务请求要求响应及时，那使用带超时时间的tryLock是更好的选择：我们的业务可以直接返回失败，而不用进行阻塞等待。tryLock这种优化手段，采用降低请求成功率的方式，来保证服务的可用性，高并发场景下经常被使用。

读写锁

但对于有些业务来说，使用Lock这种粗粒度的锁还是太慢了。比如，对于一个HashMap来说，某个业务是读多写少的场景，这个时候，如果给读操作也加上和写操作一样的锁的话，效率就会很慢。

ReentrantReadWriteLock是一种读写分离的锁，它允许多个读线程同时进行，但读和写、写和写是互斥的。使用方法如下所示，分别获取读写锁，对写操作加写锁，对读操作加读锁，并在finally里释放锁即可。

ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
    Lock readLock = lock.readLock();
    Lock writeLock = lock.writeLock();

    public void put(K k, V v) {
        writeLock.lock();
        try {
            map.put(k, v);
        } finally {
            writeLock.unlock();
        }
    }
...

那么，除了ReadWriteLock，我们能有更快的读写分离模式么？JDK1.8加入了哪个API？欢迎留言区评论。

公平锁与非公平锁

我们平常用到的锁，都是非公平锁。可以回过头来看一下monitor的原理。当持有锁的线程释放锁的时候，EntrySet里的线程就会争抢这把锁。这个争抢的过程，是随机的，也就是说你并不知道哪个线程会获取对象锁，谁抢到了就算谁的。

这就有一定的概率，某个线程总是抢不到锁，比如，线程通过setPriority 设置的比较低的优先级。这个抢不到锁的线程，就一直处于饥饿状态，这就是线程饥饿的概念。

公平锁通过把随机变成有序，可以解决这个问题。synchronized没有这个功能，在Lock中可以通过构造参数设置成公平锁，代码如下。

public ReentrantReadWriteLock(boolean fair) {
        sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
        readerLock = new ReadLock(this);
        writerLock = new WriteLock(this);
}

由于所有的线程都需要排队，需要在多核的场景下维护一个同步队列，在多个线程争抢锁的时候，吞吐量就很低。下面是20个并发之下锁的JMH测试结果，可以看到，非公平锁比公平锁性能高出两个数量级。


Benchmark                      Mode  Cnt      Score      Error   Units
FairVSNoFairBenchmark.fair    thrpt   10    186.144 ±   27.462  ops/ms
FairVSNoFairBenchmark.nofair  thrpt   10  35195.649 ± 6503.375  ops/ms

5. 锁的优化技巧

死锁

我们可以先看一下锁冲突最严重的一种情况：死锁。下面这段示例代码，两个线程分别持有了对方所需要的锁，进入了相互等待的状态，就进入了死锁。面试中手写这段代码的频率，还是挺高的。

public class DeadLockDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Object object1 = new Object();
        Object object2 = new Object();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            synchronized (object1) {
                try {
                    Thread.sleep(200);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                synchronized (object2) {
                }
            }
        }, "deadlock-demo-1");

        t1.start();
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            synchronized (object2) {
                synchronized (object1) {
                }
            }
        }, "deadlock-demo-2");
        t2.start();
    }
}

使用我们上面提到的，带超时时间的tryLock方法，有一方让步，可以一定程度上避免死锁。

优化技巧

锁的优化理论其实很简单，那就是减少锁的冲突。无论是锁的读写分离，还是分段锁，本质上都是为了避免多个线程同时获取同一把锁。我们可以总结一下优化的一般思路：减少锁的粒度、减少锁持有的时间、锁分级、锁分离、锁消除、乐观锁、无锁等。

减少锁粒度
通过减小锁的粒度，可以将冲突分散，减少冲突的可能，从而提高并发量。简单来说，就是把资源进行抽象，针对每类资源使用单独的锁进行保护。比如下面的代码，由于list1和list2属于两类资源，就没必要使用同一个对象锁进行处理。

public class LockLessDemo {
    List<String> list1 = new ArrayList<>();
    List<String> list2 = new ArrayList<>();
    public synchronized void addList1(String v){
        this.list1.add(v);
    }
    public synchronized void addList2(String v){
        this.list2.add(v);
    }
}

可以创建两个不同的锁，改善情况如下：

public class LockLessDemo {
    List<String> list1 = new ArrayList<>();
    List<String> list2 = new ArrayList<>();
    final Object lock1 = new Object();
    final Object lock2 = new Object();
    public void addList1(String v) {
        synchronized (lock1) {
            this.list1.add(v);
        }
    }
    public void addList2(String v) {
        synchronized (lock2) {
            this.list2.add(v);
        }
    }
}

减少锁持有时间通过让锁资源尽快的释放，减少锁持有的时间，其他线程可更迅速的获取锁资源，进行其他业务的处理。考虑到下面的代码，由于slowMethod不在锁的范围内，占用的时间又比较长，可以把它移动到synchronized代码快外面，加速锁的释放。

public class LockTimeDemo {
    List<String> list = new ArrayList<>();
    final Object lock = new Object();
    public void addList(String v) {
        synchronized (lock) {
            slowMethod();
            this.list.add(v);
        }
    }
    public void slowMethod(){
    }
}

锁分级锁分级指的是我们文章开始讲解的synchronied锁的锁升级，属于JVM的内部优化。它从偏向锁开始，逐渐会升级为轻量级锁、重量级锁，这个过程是不可逆的。

锁分离我们在上面提到的读写锁，就是锁分离技术。这是因为，读操作一般是不会对资源产生影响的，可以并发执行。写操作和其他操作是互斥的，只能排队执行。所以读写锁适合读多写少的场景。

锁消除通过JIT编译器，JVM可以消除某些对象的加锁操作。举个例子，大家都知道StringBuffer和StringBuilder都是做字符串拼接的，而且前者是线程安全的。

但其实，如果这两个字符串拼接对象用在函数内，JVM通过逃逸分析分析这个对象的作用范围就是在本函数中，就会把锁的影响给消除掉。比如下面这段代码，它和StringBuilder的效果是一样的。

String m1(){
    StringBuffer sb = new StringBuffer();
    sb.append("");
    return sb.toString();
}

End

Java中有两种加锁方式，一种是使用synchronized关键字，另外一种是concurrent包下面的Lock。本课时，我们详细的了解了它们的一些特性，包括实现原理。下面对比如下：

类别SynchronizedLock实现方式monitorAQS底层细节JVM优化Java API分级锁是否功能特性单一丰富锁分离无读写锁锁超时无带超时时间的tryLock可中断否lockInterruptibly

Lock的功能是比synchronized多的，能够对线程行为进行更细粒度的控制。但如果只是用最简单的锁互斥功能，建议直接使用synchronized。有两个原因：

synchronized的编程模型更加简单，更易于使用
synchronized引入了偏向锁，轻量级锁等功能，能够从JVM层进行优化，同时，JIT编译器也会对它执行一些锁消除动作

多线程代码好写，但bug难找，希望你的代码即干净又强壮，兼高性能与高可靠于一身。