高並發場景下優化加鎖方式：執行緒等待與通知機制
摘要：很多時候，我們在並發編程中，涉及到加鎖操作時，對程式碼塊的加鎖操作真的合理嗎？還有沒有需要優化的地方呢？
本文分享自華為雲社區《【高並發】講講高並發場景下如何優化加鎖方式？》，作者： 冰 河 。
互斥條件、不可剝奪條件、請求與保持條件、循環等待條件，這是產生死鎖時的四個必要條件，只有四個條件同時具備時才能發生死鎖。其中，我們在阻止請求與保持條件時，採用了一次性申請所有的資源的方式。例如在我們完成轉賬操作的過程中，我們一次性申請賬戶A和賬戶B，兩個賬戶都申請成功後，再執行轉賬的操作。其中，在我們實現的轉賬方法中，使用了死循環來循環獲取資源，直到同時獲取到賬戶A和賬戶B為止，核心程式碼如下所示。
//一次申請轉出賬戶和轉入賬戶，直到成功 while(!requester.applyResources(this, target)){ //循環體為空 ; }
如果ResourcesRequester類的applyResources()方法執行的時間非常短，並且程式並髮帶來的衝突不大，程式循環幾次到幾十次就可以同時獲取到轉出賬戶和轉入賬戶，這種方案就是可行的。
但是，如果ResourcesRequester類的applyResources()方法執行的時間比較長，或者說，程式並髮帶來的衝突比較大，此時，可能需要循環成千上萬次才能同時獲取到轉出賬戶和轉入賬戶。這樣就太消耗CPU資源了，此時，這種方案就是不可行的了。
那麼，有沒有什麼方式對這種方案進行優化呢？
問題分析
既然使用死循環一直獲取資源這種方案存在問題，那我們換位思考一下。當執行緒執行時，發現條件不滿足，是不是可以讓執行緒進入等待狀態？當條件滿足的時候，通知等待的執行緒重新執行？
也就是說，如果執行緒需要的條件不滿足，我們就讓執行緒進入等待狀態；如果執行緒需要的條件滿足時，我們再通知等待的執行緒重新執行。這樣，就能夠避免程式進行循環等待進而消耗CPU的問題。
那麼，問題又來了！當條件不滿足時，如何實現讓執行緒等待？當條件滿足時，又如何喚醒執行緒呢？
不錯，這是個問題！不過這個問題解決起來也非常簡單。簡單的說，就是使用執行緒的等待與通知機制。
執行緒的等待與通知機制
我們可以使用執行緒的等待與通知機制來優化阻止請求與保持條件時，循環獲取賬戶資源的問題。具體的等待與通知機制如下所示。
執行的執行緒首先獲取互斥鎖，如果執行緒繼續執行時，需要的條件不滿足，則釋放互斥鎖，並進入等待狀態；當執行緒繼續執行需要的條件滿足時，就通知等待的執行緒，重新獲取互斥鎖。
那麼，說了這麼多，Java支援這種執行緒的等待與通知機制嗎？其實，這個問題問的就有點廢話了，Java這麼優秀（牛逼）的語言肯定支援啊，而且實現起來也比較簡單。
用Java實現執行緒的等待與通知機制
實現方式
其實，使用Java語言實現執行緒的等待與通知機制有多種方式，這裡我就簡單的列舉一種方式，其他的方式大家可以自行思考和實現，有不懂的地方也可以問我！
在Java語言中，實現執行緒的等待與通知機制，一種簡單的方式就是使用synchronized並結合wait()、notify()和notifyAll()方法來實現。
實現原理
我們使用synchronized加鎖時，只允許一個執行緒進入synchronized保護的程式碼塊，也就是臨界區。如果一個執行緒進入了臨界區，則其他的執行緒會進入阻塞隊列里等待，這個阻塞隊列和synchronized互斥鎖是一對一的關係，也就是說，一把互斥鎖對應著一個獨立的阻塞隊列。
在並發編程中，如果一個執行緒獲得了synchronized互斥鎖，但是不滿足繼續向下執行的條件，則需要進入等待狀態。此時，可以使用Java中的wait()方法來實現。當調用wait()方法後，當前執行緒就會被阻塞，並且會進入一個等待隊列中進行等待，這個由於調用wait()方法而進入的等待隊列也是互斥鎖的等待隊列。而且，執行緒在進入等待隊列的同時，會釋放自身獲得的互斥鎖，這樣，其他執行緒就有機會獲得互斥鎖，進而進入臨界區了。整個過程可以表示成下圖所示。
當執行緒執行的條件滿足時，可以使用Java提供的notify()和notifyAll()方法來通知互斥鎖等待隊列中的執行緒，我們可以使用下圖來簡單的表示這個過程。
這裡，需要注意如下事項：
（1）使用notify()和notifyAll()方法通知執行緒時，調用notify()和notifyAll()方法時，滿足執行緒的執行條件，但是當執行緒真正執行的時候，條件可能已經不再滿足了，可能有其他執行緒已經進入臨界區執行。
（2）被通知的執行緒繼續執行時，需要先獲取互斥鎖，因為在調用wait()方法等待時已經釋放了互斥鎖。
（3）wait()、notify()和notifyAll()方法操作的隊列是互斥鎖的等待隊列，如果synchronized鎖定的是this對象，則一定要使用this.wait()、this.notify()和this.notifyAll()方法；如果synchronized鎖定的是target對象，則一定要使用target.wait()、target.notify()和target.notifyAll()方法。
（4）wait()、notify()和notifyAll()方法調用的前提是已經獲取了相應的互斥鎖，也就是說，wait()、notify()和notifyAll()方法都是在synchronized方法中或程式碼塊中調用的。如果在synchronized方法外或程式碼塊外調用了三個方法，或者鎖定的對象是this，使用target對象調用三個方法的話，JVM會拋出java.lang.IllegalMonitorStateException異常。
具體實現
實現邏輯
在實現之前，我們還需要考慮以下幾個問題：
- 選擇哪個互斥鎖
在之前的程式中，我們在TansferAccount類中，存在一個ResourcesRequester 類的單例對象，所以，我們是可以使用this作為互斥鎖的。這一點大家需要重點理解。
- 執行緒執行轉賬操作的條件
轉出賬戶和轉入賬戶都沒有被分配過。
- 執行緒什麼時候進入等待狀態
執行緒繼續執行需要的條件不滿足的時候，進入等待狀態。
- 什麼時候通知等待的執行緒執行
當存在執行緒釋放賬戶的資源時，通知等待的執行緒繼續執行。
綜上，我們可以得出以下核心程式碼。
while(不滿足條件){ wait(); }
那麼，問題來了！為何是在while循環中調用wait()方法呢？因為當wait()方法返回時，有可能執行緒執行的條件已經改變，也就是說，之前條件是滿足的，但是現在已經不滿足了，所以要重新檢驗條件是否滿足。
實現程式碼
我們優化後的ResourcesRequester類的程式碼如下所示。
public class ResourcesRequester{ //存放申請資源的集合 private List<Object> resources = new ArrayList<Object>(); //一次申請所有的資源 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); } //釋放資源 public synchronized void releaseResources(Object source, Object target){ resources.remove(source); resources.remove(target); notifyAll(); } }
生成ResourcesRequester單例對象的Holder類ResourcesRequesterHolder的程式碼如下所示。
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; } } }
執行轉賬操作的類的程式碼如下所示。
public class TansferAccount{ //賬戶的餘額 private Integer balance; //ResourcesRequester類的單例對象 private ResourcesRequester requester; public TansferAccount(Integer balance){ this.balance = balance; this.requester = ResourcesRequesterHolder.getInstance(); } //轉賬操作 public void transfer(TansferAccount target, Integer transferMoney){ //一次申請轉出賬戶和轉入賬戶，直到成功 requester.applyResources(this, target)) try{ //對轉出賬戶加鎖 synchronized(this){ //對轉入賬戶加鎖 synchronized(target){ if(this.balance >= transferMoney){ this.balance -= transferMoney; target.balance += transferMoney; } } } }finally{ //最後釋放賬戶資源 requester.releaseResources(this, target); } } }
可以看到，我們在程式中通知處於等待狀態的執行緒時，使用的是notifyAll()方法而不是notify()方法。那notify()方法和notifyAll()方法兩者有什麼區別呢？
notify()和notifyAll()的區別
- notify()方法
隨機通知等待隊列中的一個執行緒。
- notifyAll()方法
通知等待隊列中的所有執行緒。
在實際工作過程中，如果沒有特殊的要求，盡量使用notifyAll()方法。因為使用notify()方法是有風險的，可能會導致某些執行緒永久不會被通知到！
