摘要：很多時候，我們在并發程式設計中，涉及到加鎖操作時，對代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群《【高并發】講講高并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，這是産生死鎖時的四個必要條件，隻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，采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，在我們實作的轉賬方法中，使用了死循環來循環擷取資源，直到同時擷取到賬戶A和賬戶B為止，核心代碼如下所示。
//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，并且程式并發帶來的沖突不大，程式循環幾次到幾十次就可以同時擷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，程式并發帶來的沖突比較大，此時，可能需要循環成千上萬次才能同時擷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擷取資源這種方案存在問題，那我們換位思考一下。當線程執行時，發現條件不滿足，是不是可以讓線程進入等待狀态？當條件滿足的時候，通知等待的線程重新執行？
也就是說，如果線程需要的條件不滿足，我們就讓線程進入等待狀态；如果線程需要的條件滿足時，我們再通知等待的線程重新執行。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，如何實作讓線程等待？當條件滿足時，又如何喚醒線程呢？
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，就是使用線程的等待與通知機制。
線程的等待與通知機制
我們可以使用線程的等待與通知機制來優化阻止請求與保持條件時，循環擷取賬戶資源的問題。具體的等待與通知機制如下所示。
執行的線程首先擷取互斥鎖，如果線程繼續執行時，需要的條件不滿足，則釋放互斥鎖，并進入等待狀态；當線程繼續執行需要的條件滿足時，就通知等待的線程，重新擷取互斥鎖。
那麼，說了這麼多，Java支援這種線程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，而且實作起來也比較簡單。
用Java實作線程的等待與通知機制
實作方式
其實，使用Java語言實作線程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作，有不懂的地方也可以問我！
在Java語言中，實作線程的等待與通知機制，一種簡單的方式就是使用synchronized并結合wait()、notify()和notifyAll()方法來實作。
實作原理
我們使用synchronized加鎖時，隻允許一個線程進入synchronized保護的代碼塊，也就是臨界區。如果一個線程進入了臨界區，則其他的線程會進入阻塞隊列裡等待，這個阻塞隊列和synchronized互斥鎖是一對一的關系，也就是說，一把互斥鎖對應着一個獨立的阻塞隊列。
在并發程式設計中，如果一個線程獲得了synchronized互斥鎖，但是不滿足繼續向下執行的條件，則需要進入等待狀态。此時，可以使用Java中的wait()方法來實作。當調用wait()方法後，目前線程就會被阻塞，并且會進入一個等待隊列中進行等待，這個由于調用wait()方法而進入的等待隊列也是互斥鎖的等待隊列。而且，線程在進入等待隊列的同時，會釋放自身獲得的互斥鎖，這樣，其他線程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。
當線程執行的條件滿足時，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線程，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()方法通知線程時，調用notify()和notifyAll()方法時，滿足線程的執行條件，但是當線程真正執行的時候，條件可能已經不再滿足了，可能有其他線程已經進入臨界區執行。
（2）被通知的線程繼續執行時，需要先擷取互斥鎖，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擷取了相應的互斥鎖，也就是說，wait()、notify()和notifyAll()方法都是在synchronized方法中或代碼塊中調用的。如果在synchronized方法外或代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會抛出java.lang.IllegalMonitorStateException異常。
具體實作
實作邏輯
在實作之前，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，是以，我們是可以使用this作為互斥鎖的。這一點大家需要重點了解。
- 線程執行轉賬操作的條件
轉出賬戶和轉入賬戶都沒有被配置設定過。
- 線程什麼時候進入等待狀态
線程繼續執行需要的條件不滿足的時候，進入等待狀态。
- 什麼時候通知等待的線程執行
當存線上程釋放賬戶的資源時，通知等待的線程繼續執行。
綜上，我們可以得出以下核心代碼。
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()方法傳回時，有可能線程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，是以要重新檢驗條件是否滿足。
實作代碼
我們優化後的ResourcesRequester類的代碼如下所示。
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的代碼如下所示。
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代碼如下所示。
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于等待狀态的線程時，使用的是notifyAll()方法而不是notify()方法。那notify()方法和notifyAll()方法兩者有什麼差別呢？
notify()和notifyAll()的差別
- notify()方法
随機通知等待隊列中的一個線程。
- notifyAll()方法
通知等待隊列中的所有線程。