多线程（21）锁竞争和锁膨胀

Dear 丶 2024-04-24 23:09 115阅读 0赞

锁竞争（Lock Contention）和锁膨胀（Lock Inflation）是多线程编程中与并发控制机制有关的两个概念。它们描述了在并发环境中，线程如何争用共享资源以及锁在面对多线程竞争时如何调整其状态的现象。

#### 锁竞争（Lock Contention） ####

锁竞争是指多个线程试图同时访问同一个临界区（即需要互斥访问的代码区域），因此它们之间产生了竞争。在任意时刻，只能有一个线程持有锁并进入临界区，其他试图进入临界区的线程必须等待。锁竞争可能导致以下几种情况：

1.  **吞吐量降低**：当线程因等待锁而阻塞时，它们不能执行有用的工作，这减少了程序的并发能力，降低了吞吐量。
2.  **响应时间增加**：线程等待锁的时间越长，完成任务的总时间就越长，导致响应时间增加。
3.  **上下文切换**：为了公平地分配时间，操作系统可能在多个等待锁的线程之间进行上下文切换，这会增加额外的开销。

锁竞争的严重性取决于多个因素，包括锁的持有时间、请求锁的频率、线程数量以及线程调度策略等。

#### 锁膨胀（Lock Inflation） ####

锁膨胀是描述锁对象在面对不同线程竞争压力时所经历的状态转变。在Java中，对象锁可以有多种状态，随着竞争的增加，锁可能会从一个轻量级的状态膨胀到更重的状态。

1.  **无锁状态**（Biased Locking）：在偏向锁模式下，锁仅被单一线程访问，JVM为该线程优化锁操作，减少了同步的开销。如果没有竞争，对象处于无锁状态或者偏向某个线程。
2.  **轻量级锁**（Lightweight Locking）：当有其他线程尝试获取同一个锁时，如果偏向锁失败，锁就会升级到轻量级锁。轻量级锁通过在栈帧中创建锁记录（Lock Record）和使用CAS操作尝试获取锁来实现，避免了直接进入重量级锁的开销。
3.  **重量级锁**（Heavyweight Locking）：当轻量级锁的竞争加剧，导致多次失败时，锁会膨胀为重量级锁。重量级锁涉及到更复杂的同步机制，如操作系统的互斥量（Mutex）。这种锁会使得未能获取到锁的线程进入阻塞状态，等待操作系统的调度。

锁膨胀过程是不可逆的。一旦锁膨胀到重量级锁，它就不会降级到轻量级锁或偏向锁。这意味着随着应用程序执行，锁可能变得越来越沉重，尤其是在高并发情况下。

#### 代码示例 ####

在并发编程中，锁竞争和锁膨胀一般是通过监控和性能分析来识别的，下面是一个简单的Java代码，展示如何使用synchronized关键字来同步方法：

public class Counter {
        
        private int count = 0;
    
        public synchronized void increment() {
        
            count++;
        }
    
        public synchronized int getCount() {
        
            return count;
        }
    }

在这个例子中，`increment()` 和 `getCount()` 方法都是同步的，这意味着同时只能有一个线程执行这两个方法中的任何一个。如果多个线程尝试访问这些方法，就会发生锁竞争。

#### 处理锁竞争与锁膨胀 ####

为了减轻锁竞争和锁膨胀的影响，开发者可以采取以下措施：

1.  **减少锁的粒度**：使用更细粒度的锁，或者尝试使用并发数据结构来减少锁的作用范围和持有时间。
2.  **读写分离**：使用 `ReadWriteLock` 替代普通的互斥锁，允许多个读操作并行执行。
3.  **无锁并发控制**：使用原子变量和并发数据结构来避免显式的锁。
4.  **锁分段**：如 `ConcurrentHashMap` 中的做法，将数据结构分成多个段(segment)，每个段有自己的锁。
5.  **优化锁的持有时间**：减少在锁内执行的操作，尤其是减少I/O操作和其他可能导致线程阻塞的操作。

通过这些策略，可以显著减少锁竞争带来的性能开销，并减少锁膨胀的可能性。然而，需要注意的是，并发编程的优化通常需要深入的理解和细致的分析，以确保既提高了性能，又没有引入新的并发问题。