多執行緒效能優化最大的坑,99%的人都不自知!

2024.09.27

咱們今天聊點硬派又實用的——多執行緒效能優化。別急著翻白眼啊,我知道這話題聽起來有點高大上,但放心,我保證這次咱們不拔高姿態,就聊點接地氣的干貨,讓你看完之後直呼“原來如此”!

一、多線程,想說愛你不容易

多執行緒編程,那可是現代軟體開發中的一把利器。它能幫你充分利用多核心處理器,提升程式的反應速度,處理大量並發任務。但你知道嗎?多線程就像是一把雙面刃,用得好了,那是披荊斬棘;用得不好,那就是自掘墳墓。

咱們先來個簡單的場景:假設你有個任務,需要處理一大堆資料。單線程的話,那就得一個個慢慢來,效率低得感人。但如果用多線程,嘿,那速度,咻咻的!不過,問題也來了,多執行緒環境下,資源競爭、線程安全、死鎖……這些問題就像是一群小惡魔,時不時就出來搗亂。

二、性能優化的那些坑

說到多執行緒效能優化,很多人第一反應就是「加鎖!加鎖!再加鎖!」殊不知,這恰恰是最大的坑之一。來,咱們一步步揭開它的面紗。

坑一:過度鎖定

首先,咱們得明白,鎖是個好東西,它能保證執行緒之間的資料一致性,防止競爭條件。但是,鎖也是個壞東西,因為它會阻塞線程,降低並發性。

舉個例子:

1. public class Counter {
2.    private int count = 0;
3.    private final Object lock = new Object();
4.
5.
6.    public void increment() {
7.        synchronized (lock) {
8.            count++;
9.        }
10.    }
11.
12.
13.    public int getCount() {
14.        synchronized (lock) {
15.            return count;
16.        }
17.    }
18. }

上面的程式碼,每次increment和getCount都要加鎖。這在多執行緒環境下確實安全,但效率呢?如果有很多執行緒經常呼叫這兩個方法,那鎖的開銷就大了。

解決方案:減少鎖的粒度,或使用更有效率的並發工具,例如java.util.concurrent套件裡的AtomicInteger。看,這樣是不是簡潔又有效率?

1. import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
2.
3.
4. public class Counter {
5.    private final AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
6.
7.
8.    public void increment() {
9.        count.incrementAndGet();
10.    }
11.
12.
13.    public int getCount() {
14.        return count.get();
15.    }
16. }

坑二:不正確的鎖使用

鎖的使用,那是有講究的。用不好,不僅達不到預期的效果,還可能引發新的問題,例如死鎖。如果兩個執行緒分別呼叫method1和method2,那恭喜你,死鎖了!

死鎖範例:

1.public class DeadlockExample {
2.    private final Object lock1 = new Object();
3.    private final Object lock2 = new Object();
4.
5.
6.    public void method1() {
7.        synchronized (lock1) {
8.            // Do something
9.            synchronized (lock2) {
10.                // Do something else
11.            }
12.        }
13.    }
14.
15.
16.    public void method2() {
17.        synchronized (lock2) {
18.            // Do something
19.            synchronized (lock1) {
20.                // Do something else
21.            }
22.        }
23.    }
24. }

解決方案:避免嵌套鎖,盡量按照相同的順序取得鎖,或使用更高階的同步機制,例如Lock介面及其實作類,它們提供了更靈活的鎖獲取方式。

坑三:線程飢餓與活鎖

線程飢餓,簡單來說,就是某個執行緒一直無法執行的機會。而活鎖呢,則是線程之間互相謙讓,導致系統整體進度緩慢。

活鎖範例:想像一個場景,兩個執行緒在嘗試進入一個臨界區,但每次都偵測到對方在佔用,於是就都退出來等一會兒再試。結果,倆線程就這麼一直試啊試,誰也沒進去。

解決方案:引入隨機性,例如讓執行緒在重試前隨機等待一段時間,或使用更複雜的同步策略。

三、多執行緒效能優化的正確姿勢

說了這麼多坑,那咱們到底該怎麼正確優化多執行緒效能呢?別急,這就給你支幾招。

1. 使用合適的並發工具

Java的java.util.concurrent包裡,那可是有一堆寶貝等著你去發掘。比如:

  • ConcurrentHashMap:高效率且線程安全的雜湊表。
  • ExecutorService:方便管理線程池,避免手動建立和管理線程。
  • CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore:進階同步工具,幫你更精細地控制執行緒之間的協作。

2. 減少鎖的競爭

鎖的競爭是多執行緒效能瓶頸的主要來源之一。怎麼減少呢?

  • 分段鎖:把資料分成多個段,每段都有自己的鎖。這樣,不同段的資料就可以同時被多個執行緒存取了。
  • 讀寫鎖定:讀取操作通常是不改變資料的,所以可以讓多個執行緒同時讀取,而寫入操作則需要獨佔鎖定。 ReentrantReadWriteLock就是個好幫手。
  • 樂觀鎖:假設衝突不常發生,先不加鎖,等真的發生衝突了再處理。例如AtomicStampedReference。

3. 優化執行緒池

線程池是好東西,但用得不好也會成坑。怎麼優化呢?

  • 合理設定執行緒數量:太多了,上下文切換頻繁,影響效能;太少了,任務處理不過來。一般建議根據CPU核心數和任務類型來設定。
  • 選擇合適的拒絕策略:當執行緒池滿了,新任務來了怎麼辦?直接拒絕、拋出異常、運行任務的拒絕回調,還是把任務放進佇列等?這得根據你的業務場景來定。
  • 定期監控與調整:執行緒池的狀態是動態的,必須定期監控它的效能指標,例如任務處理速度、佇列長度等,然後根據實際情況進行調整。

4. 避免不必要的共享數據

共享資料是多執行緒程式設計中的一大難點。如果能避免,那就盡量避免。

  • 使用局部變數:局部變數是線程私有的,不需要同步。
  • 使用不可變物件:不可變物件一旦創建就無法修改,所以天然線程安全。
  • 使用線程局部變數:ThreadLocal類別能讓你為每個執行緒維護一個獨立的變數副本,這樣就不需要同步了。

5. 利用並發演算法和資料結構

有些演算法和資料結構是專門為並發場景設計的,用起來!

  • 平行計算框架:例如Fork/Join框架,它能幫你把大任務拆成小任務,然後並行執行。
  • 並發集合:例如CopyOnWriteArrayList、ConcurrentSkipListMap等,它們都是執行緒安全的,而且效能也不錯。

四、總結

多執行緒效能優化,那真是個技術活。咱們得避開那些坑,例如過度鎖定、不正確的鎖使用、線程飢餓和活鎖等。然後,還得學會正確地使用並發工具、減少鎖定的競爭、優化線程池、避免不必要的共享數據,以及利用並發演算法和數據結構。

說了這麼多,是不是覺得多執行緒也沒那麼可怕了?其實啊,只要掌握了正確的方法,多執行緒就像是你手中的一把利劍,能幫你披荊斬棘,解決各種複雜的問題。好了,今天的分享就到這裡,希望對你有幫助。如果你還有其他問題或想法,歡迎留言交流哦!咱們下次見!