一、介绍
本文重点讨论多线程应用程序的性能问题。如用何种技术方法来减少锁竞争,以及如何用代码来实现。
二、性能
我们都知道,多线程可以提高线程的性能。性能提升的根本原因在于我们有多核的CPU或多个CPU。每个CPU的内核都可以自己完成任务,因此把一个大的任务分解成一系列的可彼此独立运行的小任务就可以提高程序的整体性能了。可以举个例子,比如有个程序用来将硬盘上某个文件夹下的所有图片的尺寸进行修改,应用多线程技术就可以提高它的性能。使用单线程的方式只能依次遍历所有图片文件并且执行修改,如果我们的CPU有多个核心的话,毫无疑问,它只能利用其中的一个核,使用多线程的方式的话,我们可以让一个生产者线程扫描文件系统把每个图片都添加到一个队列中,然后用多个工作线程来执行这些任务。如果我们的工作线程的数量和CPU总的核心数一样的话,我们就能保证每个CPU核心都有活可干,直到任务被全部执行完成。
对于另外一种需要较多IO等待的程序来说,利用多线程技术也能提高整体性能。假设我们要写这样一个程序,需要抓取某个网站的所有HTML文件,并且将它们存储到本地磁盘上。程序可以从某一个网页开始,然后解析这个网页中所有指向本网站的链接,然后依次抓取这些链接,这样周而复始因。为从我们对远程网站发起请求到接收到所有的网页数据需要等待一段时间,所以我们可以将此任务交给多个线程来执行。让一个或稍微更多一点的线程来解析已经收到网的HTML页以及将找到的链接放入队列中,让其他所有的线程负责请求获取页面。
高性能就是在短的时间窗口内做尽量多的事情。这个当然是对性能一词的最经典解释了。但是同时,使用线程也能很好地提升我们程序的响应速度。想象我们有这样一个图形界面的应用程序,上方有一个输入框,输入框下面有一个名字叫“处理”的按钮。当用户按下这个按钮的时候,应用程序需要重新对按钮的状态进行渲染(按钮看起来被按下了,当松开鼠标左键时又恢复原状),并且开始对用户的输入进行处理。如果处理用户输入的这个任务比较耗时的话,单线程的程序就无法继续响应用户其他的输入动作了,
可扩展性(可伸缩性)的意思是程序具备这样的能力:通过添加计算资源就可以获得更高的性能。想象我们需要调整很多图片的大小,因为我们机器的CPU核心数是有限的,所以增加线程数量并不总能相应提高性能。相反,因为调度器需要负责更多线程的创建和关闭,也会占用CPU资源,反而有可能降低性能。
1,对性能的影响
写到这里,我们已经取得这样一个观点:增加更多的线程可以提高程序的性能和响应速度。但是另一方面,想要取得这些好处却并非轻而易举,也需要付出一些代价。线程的使用对性能的提升也会有所影响。
第首先,一个影响来自线程创建的时候。线程的创建过程中,JVM需要从底层操作系统申请相应的资源,并且在调度器中初始化数据结构,以便决定执行线程的顺序。
如果你的线程的数量和CPU的核心数量一样的话,每个线程都会运行在一个核心上,这样或许他们就不会经常被打断了。但是事实上,在你的程序运行的时候,操作系统也会有些自己的运算需要CPU去处理,所以,即使这种情形下,你的线程也会被打断并且等待操作系统来重新恢复它的运行。当你的线程数量超过CPU的核心数量的时候,情况有可能变得更坏。在这种情况下,JVM的进程调度器会打断某些线程以便让其他线程执行,线程切换的时候,刚才正在运行的线程的当前状态需要被保存下来,以便等下次运行的时候可以恢复数据状态,不仅如此,调度器也会对它自己内部的数据结构进行更新,而这也需要消耗CPU周期。所有这些都意味着,线程之间的上下文切换会消耗CPU计算资源,因此带来相比单线程情况下没有的性能开销。
多线程程序所带来的另外一个开销来自对共享数据的同步访问保护。我们可以使用同步关键字来进行同步保护,也可以使用不稳定的关键字来在多个线程之间共享数据。如果多于一个线程想要去访问某一个共享数据结构的话,就发生了争用的情形,这时,JVM需要决定哪个进程先,哪个进程后。如果决定该要执行的线程不是当前正在运行的线程,那么就会发生线程切换。当前线程需要等待,直到它成功获得了锁对象.JVM可以自己决定如何来执行这种”等待”,假如JVM预计离成功获得锁对象的时间比较短,那JVM可以使用激进等待方法,比如,不停地尝试获得锁对象,直到成功,在这种情况下这种方式可能会更高效,因为比较进程上下文切换来说,还是这种方式更快速一些。把一个等待状态的线程挪回到执行队列也会带来额外的开销。
