【高并发】面试官：讲讲高并发场景下如何优化加锁方式？

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？



问题阐述



在《【高并发】优化加锁方式时竟然死锁了！！》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。





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。





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！



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写在最后



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