并发控制——锁机制的优化

问题背景：

锁的开销：多线程使系统除处理功能需求外，另有维护多线程的额外开销，包括：
  1. 线程本身的元数据
  2. 线程调度
  3. 线程上下文切换
死锁：线程间相互等待又不释放自身资源，形成循环等待

锁的优化方法：

我们需要通过合理的手段，降低锁竞争、锁冲突，以提高并发能力

代码层面：

1. 减少锁持有时间：只在必要的代码篇幅上加锁，比较容易注意到的降低锁竞争的方法。
2. 锁粗化：与上条相对。由于锁不断请求、同步、释放也很耗资源，某些情况下我们需要对锁进行适当的粗化。如：
  a. 将锁置于循环外
  b. 快速执行的功能点不需要进行锁分离
3. 减少锁粒度：通过分割数据结构，缩小锁定对象范围，拆分锁实现锁分离，如：ConcurrentHashMap中将HashMap拆分成多个Segement分段锁
  缺点：系统需要获得全局锁时耗费资源较多。
4. 锁分离：通过对系统不同功能点（不同操作）的分割进行锁分离
  4.1 读写锁换独占锁：读操作不会影响数据的完整性和一致性，应允许多线程并行。读锁相容，写锁独占。写锁未释放的，无法往对象上加任何锁，如：CopyOnWriteList适合读多写少的场景
  4.2 重入锁与内部锁：
    a.重入锁：利用ReentrantLock和Condition结合，对独占锁进行分离。重入锁提供锁等待、锁中断、快速轮训、有助于避免死锁，如LinkedBlockingQueue
    b.内部锁：用synchronized结合Object.wait()及Object.notify()实现。使用简单，JVM内部有优化。
    c.在可正常实现系统功能情况下，推荐使用内部锁

JVM层面：

1. 自旋锁： 防止锁等待小段CPU时，做线程切换，进行频繁的挂起、恢复，提升线程执行的连贯性。用于锁竞争不激烈，锁占用时间段的并发场景
    -XX:+UseSpirinning 开启自旋锁
    -XX:+PreBlockSpin 设置等待次数
2. 锁消除： JVM编译时，进行上下文扫描，进行逃逸分析，消除不存在资源竞争的锁，如：方法中局部变量（线程私有，不会逃逸出栈帧）为JDK内置线程安全的数据结构（如StringBuffer），可消除该数据结构中带有的加锁操作
    -XX:+DoEscapeAnalysis 开启逃逸分析
    -XX:+EliminateLock 开启锁消除
3. 锁偏向： 在锁竞争激烈的场合，应该禁用
    -XX:-UseBiaseLocking 关闭锁偏向

CAS：

无锁机制保证数据的一致性，基于比较并交换（CompareAndSwap），一种非阻塞同步的方法，是乐观锁的一种实现。
  优点：消除锁竞争，没有相互等待，对死锁问题免疫。TheadLocal、java.util.concurrent.atomic中的原子类是基于此实现的。
  缺点：将冲突交由应用层实现，增加了开发难度。不过现在有现成的无锁并行框架，如Apache的Amino框架。

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共享数据的并发访问控制方法

volatile 保证变量可见性
Semaphore 信号量。实现对象池
ThreadLock 线程局部变量。生成副本、无锁机制