【高并发】面试官：讲讲高并发场景下如何优化加锁方式？

妖狐艹你老母 2021-09-02 10:16 391阅读 0赞

## 写在前面 ##

> 很多时候，我们在并发编程中，涉及到加锁操作时，对代码块的加锁操作真的合理吗？还有没有需要优化的地方呢？

## 前言 ##

在《[【高并发】优化加锁方式时竟然死锁了！！][Link 1]》一文中，我们介绍了产生死锁时的四个必要条件，只有四个条件同时具备时才能发生死锁。其中，我们在**阻止请求与保持条件**时，采用了一次性申请所有的资源的方式。例如在我们完成转账操作的过程中，我们一次性申请账户A和账户B，两个账户都申请成功后，再执行转账的操作。其中，在我们实现的转账方法中，使用了死循环来循环获取资源，直到同时获取到账户A和账户B为止，核心代码如下所示。

//一次申请转出账户和转入账户，直到成功
    while(!requester.applyResources(this, target)){ 
        //循环体为空
        ;
    }

如果ResourcesRequester类的applyResources()方法执行的时间非常短，并且程序并发带来的冲突不大，程序循环几次到几十次就可以同时获取到转出账户和转入账户，这种方案就是可行的。

但是，如果ResourcesRequester类的applyResources()方法执行的时间比较长，或者说，程序并发带来的冲突比较大，此时，可能需要循环成千上万次才能同时获取到转出账户和转入账户。这样就太消耗CPU资源了，此时，这种方案就是不可行的了。

**那么，有没有什么方式对这种方案进行优化呢？**

## 问题分析 ##

既然使用死循环一直获取资源这种方案存在问题，那我们换位思考一下。当线程执行时，发现条件不满足，是不是可以让线程进入等待状态？当条件满足的时候，通知等待的线程重新执行？

也就是说，如果线程需要的条件不满足，我们就让线程进入等待状态；如果线程需要的条件满足时，我们再通知等待的线程重新执行。这样，就能够避免程序进行循环等待进而消耗CPU的问题。

**那么，问题又来了！当条件不满足时，如何实现让线程等待？当条件满足时，又如何唤醒线程呢？**

不错，这是个问题！不过这个问题解决起来也非常简单。简单的说，就是**使用线程的等待与通知机制。**

## 线程的等待与通知机制 ##

我们可以使用线程的等待与通知机制来优化**阻止请求与保持条件**时，循环获取账户资源的问题。具体的等待与通知机制如下所示。

**执行的线程首先获取互斥锁，如果线程继续执行时，需要的条件不满足，则释放互斥锁，并进入等待状态；当线程继续执行需要的条件满足时，就通知等待的线程，重新获取互斥锁。**

那么，说了这么多，Java支持这种线程的等待与通知机制吗？其实，这个问题问的就有点废话了，Java这么优秀（牛逼）的语言肯定支持啊，而且实现起来也比较简单。

## 用Java实现线程的等待与通知机制 ##

### 实现方式 ###

其实，使用Java语言实现线程的等待与通知机制有多种方式，这里我就简单的列举一种方式，其他的方式大家可以自行思考和实现，有不懂的地方也可以问我！

在Java语言中，实现线程的等待与通知机制，一种简单的方式就是使用synchronized并结合wait()、notify()和notifyAll()方法来实现。

### 实现原理 ###

我们使用synchronized加锁时，只允许一个线程进入synchronized保护的代码块，也就是临界区。如果一个线程进入了临界区，则其他的线程会进入阻塞队列里等待，这个阻塞队列和synchronized互斥锁是一对一的关系，也就是说，一把互斥锁对应着一个独立的阻塞队列。

在并发编程中，如果一个线程获得了synchronized互斥锁，但是不满足继续向下执行的条件，则需要进入等待状态。此时，可以使用Java中的wait()方法来实现。当调用wait()方法后，当前线程就会被阻塞，并且会进入一个等待队列中进行等待，这个由于调用wait()方法而进入的等待队列也是互斥锁的等待队列。而且，线程在进入等待队列的同时，会释放自身获得的互斥锁，这样，其他线程就有机会获得互斥锁，进而进入临界区了。整个过程可以表示成下图所示。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2wxMDI4Mzg2ODA0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

当线程执行的条件满足时，可以使用Java提供的notify()和notifyAll()方法来通知互斥锁等待队列中的线程，我们可以使用下图来简单的表示这个过程。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2wxMDI4Mzg2ODA0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

**这里，需要注意如下事项：**

**（1）使用notify()和notifyAll()方法通知线程时，调用notify()和notifyAll()方法时，满足线程的执行条件，但是当线程真正执行的时候，条件可能已经不再满足了，可能有其他线程已经进入临界区执行。**

**（2）被通知的线程继续执行时，需要先获取互斥锁，因为在调用wait()方法等待时已经释放了互斥锁。**

**（3）wait()、notify()和notifyAll()方法操作的队列是互斥锁的等待队列，如果synchronized锁定的是this对象，则一定要使用this.wait()、this.notify()和this.notifyAll()方法；如果synchronized锁定的是target对象，则一定要使用target.wait()、target.notify()和target.notifyAll()方法。**

**（4）wait()、notify()和notifyAll()方法调用的前提是已经获取了相应的互斥锁，也就是说，wait()、notify()和notifyAll()方法都是在synchronized方法中或代码块中调用的。如果在synchronized方法外或代码块外调用了三个方法，或者锁定的对象是this，使用target对象调用三个方法的话，JVM会抛出java.lang.IllegalMonitorStateException异常。**

## 具体实现 ##

### 实现逻辑 ###

在实现之前，我们还需要考虑以下几个问题：

*  **选择哪个互斥锁**

在之前的程序中，我们在TansferAccount类中，存在一个ResourcesRequester 类的单例对象，所以，我们是可以使用this作为互斥锁的。这一点大家需要重点理解。

*  **线程执行转账操作的条件**

转出账户和转入账户都没有被分配过。

*  **线程什么时候进入等待状态**

线程继续执行需要的条件不满足的时候，进入等待状态。

*  **什么时候通知等待的线程执行**

当存在线程释放账户的资源时，通知等待的线程继续执行。

**综上，我们可以得出以下核心代码。**

while(不满足条件){ 
        wait();
    }

**那么，问题来了！为何是在while循环中调用wait()方法呢？**因为当wait()方法返回时，有可能线程执行的条件已经改变，也就是说，之前条件是满足的，但是现在已经不满足了，所以要重新检验条件是否满足。

### 实现代码 ###

我们优化后的ResourcesRequester类的代码如下所示。

public class ResourcesRequester{ 
        //存放申请资源的集合
        private List<Object> resources = new ArrayList<Object>();
        //一次申请所有的资源
        public synchronized void applyResources(Object source, Object target){ 
            while(resources.contains(source) || resources.contains(target)){ 
                try{ 
                    wait();
                }catch(Exception e){ 
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            resources.add(source);
            resources.add(targer);
        }
        
        //释放资源
        public synchronized void releaseResources(Object source, Object target){ 
            resources.remove(source);
            resources.remove(target);
            notifyAll();
        }
    }

生成ResourcesRequester单例对象的Holder类ResourcesRequesterHolder的代码如下所示。

public class ResourcesRequesterHolder{ 
        private ResourcesRequesterHolder(){ }
        
        public static ResourcesRequester getInstance(){ 
            return Singleton.INSTANCE.getInstance();
        }
        private enum Singleton{ 
            INSTANCE;
            private ResourcesRequester singleton;
            Singleton(){ 
                singleton = new ResourcesRequester();
            }
            public ResourcesRequester getInstance(){ 
                return singleton;
            }
        }
    }

执行转账操作的类的代码如下所示。

public class TansferAccount{ 
        //账户的余额
        private Integer balance;
        //ResourcesRequester类的单例对象
        private ResourcesRequester requester;
       
        public TansferAccount(Integer balance){ 
            this.balance = balance;
            this.requester = ResourcesRequesterHolder.getInstance();
        }
        //转账操作
        public void transfer(TansferAccount target, Integer transferMoney){ 
            //一次申请转出账户和转入账户，直到成功
            requester.applyResources(this, target))
            try{ 
                //对转出账户加锁
                synchronized(this){ 
                    //对转入账户加锁
                    synchronized(target){ 
                        if(this.balance >= transferMoney){ 
                            this.balance -= transferMoney;
                            target.balance += transferMoney;
                        }   
                    }
                }
            }finally{ 
                //最后释放账户资源
                requester.releaseResources(this, target);
            }
        }
    }

可以看到，我们在程序中通知处于等待状态的线程时，使用的是notifyAll()方法而不是notify()方法。**那notify()方法和notifyAll()方法两者有什么区别呢？**

## notify()和notifyAll()的区别 ##

*  notify()方法

随机通知等待队列中的一个线程。

*  notifyAll()方法

通知等待队列中的所有线程。

**在实际工作过程中，如果没有特殊的要求，尽量使用notifyAll()方法。因为使用notify()方法是有风险的，可能会导致某些线程永久不会被通知到！**

[Link 1]: https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzg3MzE1NTIzNA==&mid=2247484382&idx=1&sn=8b2a1544f9efac88142973970cc8ea31&chksm=cee51c13f99295057a39ea4b0587c1c35e8d073018cd663ff53e5d082d0b19f18048fe8a881e&token=1380541257&lang=zh_CN#rd
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2wxMDI4Mzg2ODA0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20210901/596db440226c48998821d7b3b7b3ec47.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2wxMDI4Mzg2ODA0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]: /images/20210901/756d7fa4c04a461e84ae8a2034004863.png