高并发场景下优化加锁方式：线程等待与通知机制

Posted 2022-03-30 华为云开发者社区

本文分享自华为云社区《【高并发】讲讲高并发场景下如何优化加锁方式？》，作者： 冰 河 。

互斥条件、不可剥夺条件、请求与保持条件、循环等待条件，这是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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