面试题：Java并发编程之锁优化策略

Question

描述一下在高并发场景下，如何对锁进行优化以提高系统性能。例如从锁的粒度控制、锁的类型选择（如偏向锁、轻量级锁、重量级锁）以及锁的使用时机等方面展开说明。

Answer 1

锁的粒度控制

1. 减小锁粒度：
   • 将大对象或大的业务逻辑拆分成小的部分，每个部分使用单独的锁。例如，在一个电商系统的库存管理中，如果对整个库存对象加锁，并发操作时很多线程会竞争这一把锁。可以将库存按商品类别或者仓库分区，每个分区使用单独的锁，这样不同分区的操作可以并行执行，提高并发度。
   • 以Java的ConcurrentHashMap为例，它在JDK1.8之前采用分段锁机制，将数据分成多个段（Segment），每个段有自己的锁。不同段的操作可以并发进行，相比对整个哈希表加一把大锁，大大提高了并发性能。
2. 锁粗化：
   • 与减小锁粒度相反，当一系列的连续操作都对同一个对象加锁，且加锁解锁操作频繁时，可以适当扩大锁的范围，将多次加锁解锁合并为一次。例如，在一个循环中每次迭代都对同一个对象加锁解锁，可将锁放到循环外部，减少不必要的加锁解锁开销。

锁的类型选择

1. 偏向锁：
   • 适用场景：适用于只有一个线程频繁访问同步块的场景。
   • 原理：偏向锁会偏向于第一个访问同步块的线程，在后续访问中，该线程进入和退出同步块时不需要进行CAS操作来加锁和解锁，只需要检查对象头的Mark Word中偏向锁标识和线程ID。如果线程ID是自己的，直接进入同步块，大大减少了锁竞争的开销。
   • 使用注意：在竞争激烈的场景下，偏向锁会带来额外的撤销偏向锁的开销，此时不适合使用偏向锁。可以通过JVM参数 -XX:-UseBiasedLocking 禁用偏向锁。
2. 轻量级锁：
   • 适用场景：适用于竞争不激烈，且同步块执行时间短的场景。
   • 原理：轻量级锁采用CAS操作来尝试获取锁。当线程进入同步块时，JVM会在当前线程的栈帧中创建一个锁记录（Lock Record），并将对象头的Mark Word复制到锁记录中，然后尝试使用CAS将对象头的Mark Word替换为指向锁记录的指针。如果替换成功，该线程就获得了锁；如果失败，表示存在竞争，轻量级锁会膨胀为重量级锁。
   • 优势：轻量级锁在无竞争或竞争较小的情况下，避免了重量级锁使用操作系统互斥量带来的高开销。
3. 重量级锁：
   • 适用场景：适用于竞争激烈，且同步块执行时间长的场景。
   • 原理：重量级锁依赖于操作系统的互斥量（Mutex）来实现线程同步。当一个线程获取锁时，其他线程会被阻塞，放入等待队列。当持有锁的线程释放锁时，等待队列中的线程会竞争获取锁。
   • 劣势：由于涉及到用户态和内核态的切换，重量级锁的开销较大，在高并发场景下如果大量使用重量级锁会严重影响系统性能。

锁的使用时机

1. 尽量避免不必要的锁：
   • 在代码设计时，仔细分析业务逻辑，确定哪些部分真正需要同步，哪些部分可以异步或者无锁执行。例如，在一个日志记录模块中，如果日志记录操作不需要保证严格的顺序和一致性，完全可以采用异步无锁的方式进行记录，避免对日志写入操作加锁带来的性能损耗。
2. 提前过滤：
   • 在获取锁之前，先进行一些条件判断和过滤操作，减少不必要的锁竞争。比如在一个缓存系统中，当请求数据时，先检查缓存中是否存在数据，如果不存在才去获取锁从数据库加载数据，而不是一开始就获取锁。这样可以避免大部分请求在缓存命中时的锁竞争。
3. 锁的获取顺序：
   • 当多个线程需要获取多个锁时，确保所有线程按照相同的顺序获取锁，避免死锁。例如，线程A和线程B都需要获取锁X和锁Y，那么两个线程都应该先获取锁X，再获取锁Y，这样可以防止死锁的发生，同时也能提高系统的稳定性和性能。