【高并發(fā)】面試官：講講高并發(fā)場景下如何優(yōu)化加鎖方式？

寫在前面

很多時(shí)候，我們在并發(fā)編程中，涉及到加鎖操作時(shí)，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？

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問題闡述

產(chǎn)生死鎖時(shí)的四個(gè)必要條件，只有四個(gè)條件同時(shí)具備時(shí)才能發(fā)生死鎖。其中，我們在阻止請求與保持條件時(shí)，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(gè)賬戶都申請成功后，再執(zhí)行轉(zhuǎn)賬的操作。其中，在我們實(shí)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(shí)獲取到賬戶A和賬戶B為止，核心代碼如下所示。

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

如果ResourcesRequester類的applyResources()方法執(zhí)行的時(shí)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(shí)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(shí)間比較長，或者說，程序并發(fā)帶來的沖突比較大，此時(shí)，可能需要循環(huán)成千上萬次才能同時(shí)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(shí)，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(jìn)行優(yōu)化呢？

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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(dāng)線程執(zhí)行時(shí)，發(fā)現(xiàn)條件不滿足，是不是可以讓線程進(jìn)入等待狀態(tài)？當(dāng)條件滿足的時(shí)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(jìn)入等待狀態(tài)；如果線程需要的條件滿足時(shí)，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(jìn)行循環(huán)等待進(jìn)而消耗CPU的問題。

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

不錯(cuò)，這是個(gè)問題！不過這個(gè)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(jī)制。

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線程的等待與通知機(jī)制

我們可以使用線程的等待與通知機(jī)制來優(yōu)化阻止請求與保持條件時(shí)，循環(huán)獲取賬戶資源的問題。具體的等待與通知機(jī)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(shí)，需要的條件不滿足，則釋放互斥鎖，并進(jìn)入等待狀態(tài)；當(dāng)線程繼續(xù)執(zhí)行需要的條件滿足時(shí)，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(jī)制嗎？其實(shí)，這個(gè)問題問的就有點(diǎn)廢話了，Java這么優(yōu)秀（牛逼）的語言肯定支持啊，而且實(shí)現(xiàn)起來也比較簡單。

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Java實(shí)現(xiàn)線程的等待與通知機(jī)制

實(shí)現(xiàn)方式

其實(shí)，使用Java語言實(shí)現(xiàn)線程的等待與通知機(jī)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(shí)現(xiàn)，有不懂的地方也可以問我！

在Java語言中，實(shí)現(xiàn)線程的等待與通知機(jī)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(shí)現(xiàn)。

實(shí)現(xiàn)原理

我們使用synchronized加鎖時(shí)，只允許一個(gè)線程進(jìn)入synchronized保護(hù)的代碼塊，也就是臨界區(qū)。如果一個(gè)線程進(jìn)入了臨界區(qū)，則其他的線程會(huì)進(jìn)入阻塞隊(duì)列里等待，這個(gè)阻塞隊(duì)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(gè)獨(dú)立的阻塞隊(duì)列。

在并發(fā)編程中，如果一個(gè)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(jìn)入等待狀態(tài)。此時(shí)，可以使用Java中的wait()方法來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)調(diào)用wait()方法后，當(dāng)前線程就會(huì)被阻塞，并且會(huì)進(jìn)入一個(gè)等待隊(duì)列中進(jìn)行等待，這個(gè)由于調(diào)用wait()方法而進(jìn)入的等待隊(duì)列也是互斥鎖的等待隊(duì)列。而且，線程在進(jìn)入等待隊(duì)列的同時(shí)，會(huì)釋放自身獲得的互斥鎖，這樣，其他線程就有機(jī)會(huì)獲得互斥鎖，進(jìn)而進(jìn)入臨界區(qū)了。整個(gè)過程可以表示成下圖所示。

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

這里，需要注意如下事項(xiàng)：

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

（2）被通知的線程繼續(xù)執(zhí)行時(shí)，需要先獲取互斥鎖，因?yàn)樵谡{(diào)用wait()方法等待時(shí)已經(jīng)釋放了互斥鎖。

（3）wait()、notify()和notifyAll()方法操作的隊(duì)列是互斥鎖的等待隊(duì)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(gè)方法，或者鎖定的對象是this，使用target對象調(diào)用三個(gè)方法的話，JVM會(huì)拋出java.lang.IllegalMonitorStateException異常。

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具體實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)邏輯

在實(shí)現(xiàn)之前，我們還需要考慮以下幾個(gè)問題：

• 選擇哪個(gè)互斥鎖

在之前的程序中，我們在TansferAccount類中，存在一個(gè)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(diǎn)大家需要重點(diǎn)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(shí)候進(jìn)入等待狀態(tài)

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

• 什么時(shí)候通知等待的線程執(zhí)行

當(dāng)存在線程釋放賬戶的資源時(shí)，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。

while(不滿足條件){
????wait();
}

那么，問題來了！為何是在while循環(huán)中調(diào)用wait()方法呢？因?yàn)楫?dāng)wait()方法返回時(shí)，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(yàn)條件是否滿足。

實(shí)現(xiàn)代碼

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

public?class?ResourcesRequester{
????//存放申請資源的集合
????private?List