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 plaincopy

1. public class LeftRightDeadlock {

2. private final Object left = new Object();

3. private final Object right = new Object();

4. public void leftRight() {

5. synchronized (left) {

6. synchronized (right) {

7. doSomething();

8. }

9. }

10. }

11. public void rightLeft() {

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 plaincopy

1. public boolean trySendOnSharedLine(String message,

2. long timeout, TimeUnit unit)

3. throws InterruptedException {

4. long nanosToLock = unit.toNanos(timeout)

5. - estimatedNanosToSend(message);

6. if (!lock.tryLock(nanosToLock, NANOSECONDS))

7. return false;

8. try {

9. return sendOnSharedLine(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 plaincopy

1. public class StripedMap {

2. // Synchronization policy: buckets[n] guarded by locks[n%N_LOCKS]

3. private static final int N_LOCKS = 16;

4. private final Node[] buckets;

5. private final Object[] locks;

6. private static class Node { ... }

7. public StripedMap(int numBuckets) {

8. buckets = new Node[numBuckets];

9. locks = new Object[N_LOCKS];

10. for (int i = 0; i < N_LOCKS; i++)

11. locks[i] = new Object();

12. }

13. private final int hash(Object key) {

14. return Math.abs(key.hashCode() % buckets.length);

15. }

16. public Object get(Object key) {

17. int hash = hash(key);

18. synchronized (locks[hash % N_LOCKS]) {

19. for (Node m = buckets[hash]; m != null; m = m.next)

20. if (m.key.equals(key))

21. return m.value;

22. }

23. return null;

24. }

25. public void clear() {

26. for (int i = 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 plaincopy

1. public class ReadWriteMap<K,V> {

2. private final Map<K,V> map;

3. private final ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();

4. private final Lock r = lock.readLock();

5. private final Lock w = lock.writeLock();

6. public ReadWriteMap(Map<K,V> map) {

7. this.map = map;

8. }

9. public V put(K key, V value) {

10. w.lock();

11. try {

12. return map.put(key, value);

13. } finally {

14. w.unlock();

15. }

16. }

17. // Do the same for remove(), putAll(), clear()

18. public V get(Object key) {

19. r.lock();

20. try {

21. return map.get(key);

22. } finally {

23. r.unlock();

24. }

25. }

26. // Do the same for other read-only Map methods

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。