無鎖編程：採用不可變類減少鎖的使用

来源:http://www.cnblogs.com/Binhua-Liu/archive/2016/06/11/5573444.html
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很多的同學很少使用、或者乾脆不瞭解不可變類（Immutable Class）。直觀上很容易認為Immutable類效率不高，或者難以理解他的使用場景。其實不可變類是非常有用的，可以提高並行編程的效率和優化設計。讓我們跳過一些寬泛的介紹，從一個常見的並行編程場景說起： 假設系統需要實時地處理大量的訂單... ...


 

很多的同學很少使用、或者乾脆不瞭解不可變類（Immutable Class）。直觀上很容易認為Immutable類效率不高，或者難以理解他的使用場景。其實不可變類是非常有用的，可以提高並行編程的效率和優化設計。讓我們跳過一些寬泛的介紹，從一個常見的並行編程場景說起：

 

假設系統需要實時地處理大量的訂單，這些訂單的處理依賴於用戶的配置，例如用戶的會員級別、支付方式等。程式需要通過這些配置的參數來計算訂單的價格。而用戶配置同時被另外一些線程更新。顯然，我們在訂單計算的過程中保持配置的一致性。

 

上面的例子是我虛擬出來的，但是類似的場景非常常見--線程A實時地大量地處理請求；線程B偶爾地修改線程A依賴的配置信息。我們陷入這樣的兩難：

1，為了保持配置的一致性，我們不得不線上程A和線程B上，對配置的讀和寫都加鎖，才能保障配置的一致性。這樣才能保證請求處理過程中，不會出現某些配置項被更新了，而另外一些沒有；或者處理中開始使用的是舊配置，而後又使用新的配置。（聽起來類似於資料庫的臟讀問題）

2，另一方面，線程A明顯比線程B更繁忙，為了偶爾一次的配置更新，為每秒數以萬次的請求處理加鎖，顯然代價太高了。

 

解決方案

解決方案有兩種：

第一種是，採用ReadWriteLock。這是最常見的方式。

對讀操作加讀鎖，對寫操作加寫鎖。如果沒有正在發生的寫操作，讀鎖的代價很低。

 

第二種是，採用不可變對象來保存配置信息，用替換配置對象的方式，而不是修改配置對象的方式，來更新配置信息。讓我們來思考一下這麼做的利弊：

1）對於訂單處理線程A來說，它不再需要加鎖了！因為用於保存配置的對象是不可變對象。我們要麼讀取的是一個舊的配置對象，要麼是一個新的配置對象（新的配置對象覆蓋了舊的配置對象）。不會出現“臟讀”的情況。

2）對於用於更新配置的線程B，它的負擔加重了 -- 更新任何一項配置，都必須重新創建一個新的不可變對象，然後把更新的新的屬性和其他舊屬性賦給新的對象，最後覆蓋舊的對象，被拋棄的舊對象還增加了GC的負擔。而原本，這一切只要一個set操作就能完成。

 

我們如何衡量利弊呢？經常，這是非常划算的，線程A和線程B的工作量可能相差幾個數量級。用線程B壓力的增加（其實不值一提）來換取線程A可以不用鎖，效率應該會有很大提升。

 

代碼及性能測試

讓我們用代碼來測試一下哪個解決方案更好。

 

方案一：採用ReentrantReadWriteLock來加讀寫鎖：

一個普通的配置類，保存了用戶的優惠信息，包括會員優惠和特殊節日優惠，在計算訂單總價的時候用到：

public class AccountConfig {
    private double membershipDiscount;
    private double specialEventDiscount;
    
    public AccountConfig(double membershipDiscount, double specialEventDiscount)
    {
        this.membershipDiscount = membershipDiscount;
        this.specialEventDiscount = specialEventDiscount;
    }

    public double getMembershipDiscount() {
        return membershipDiscount;
    }

    public void setMembershipDiscount(double membershipDiscount) {
        this.membershipDiscount = membershipDiscount;
    }

    public double getSpecialEventDiscount() {
        return specialEventDiscount;
    }

    public void setSpecialEventDiscount(double specialEventDiscount) {
        this.specialEventDiscount = specialEventDiscount;
    }

}

 

程式包括2個工作線程，一個負責處理訂單，計算訂單的總價，它在讀取配置信息時採取讀鎖。另一個負責更新配置信息，採用寫鎖。

public static void main(String[] args) throws Exception {
        final ConcurrentHashMap<String, AccountConfig> accountConfigMap =
                new ConcurrentHashMap<String, AccountConfig>();
        AccountConfig accountConfig1 = new AccountConfig(0.02, 0.05);
        accountConfigMap.put("user1", accountConfig1);
        AccountConfig accountConfig2 = new AccountConfig(0.03, 0.04);
        accountConfigMap.put("user2", accountConfig2);
        final ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);
        executor.execute(new Runnable() {
            Random r = new Random();

            @Override
            public void run() {
                Long t1 = System.nanoTime();
                for (int i = 0; i < 100000000; i++) {
                    Order order = MockOrder();
                    lock.readLock().lock();
                    AccountConfig accountConfig = accountConfigMap.get(order.getUser());

                    double price = order.getPrice() * order.getCount() 
                            * (1 - accountConfig.getMembershipDiscount())
                            * (1 - accountConfig.getSpecialEventDiscount());

                    lock.readLock().unlock();
                }
                Long t2 = System.nanoTime();
                System.out.println("ReadWriteLock:" + (t2 - t1));
            }

            private Order MockOrder() {
                Order order = new Order();
                order.setUser("user1");
                order.setPrice(r.nextDouble() * 1000);
                order.setCount(r.nextInt(10));
                return order;
            }

        });

        executor.execute(new Runnable() {
            Random r = new Random();

            @Override
            public void run() {
                while (true) {
                    lock.writeLock().lock(); 
                    AccountConfig accountConfig = accountConfigMap.get("user1");
                    accountConfig.setMembershipDiscount(r.nextInt(10) / 100.0);
                    lock.writeLock().unlock();
                    try {
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        // TODO Auto-generated catch block
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }

        });
    }

 

方案二：採用不可變對象：

創建一個不可變的配置類ImmutableAccountConfig:

public final class ImmutableAccountConfig {
    
    private final double membershipDiscount;
    private final double specialEventDiscount;
    
    public ImmutableAccountConfig(double membershipDiscount, double specialEventDiscount)
    {
        this.membershipDiscount = membershipDiscount;
        this.specialEventDiscount = specialEventDiscount;
    }

    public double getMembershipDiscount() {
        return membershipDiscount;
    }

    public double getSpecialEventDiscount() {
        return specialEventDiscount;
    }
}

 

還是創建2個線程。訂單線程不必加鎖。而配置更新的線程由於採用了不可變類，採用替換對象的方式來更新配置：

public static void main(String[] args) throws Exception {
        final ConcurrentHashMap<String, ImmutableAccountConfig> immutableAccountConfigMap 
        = new ConcurrentHashMap<String, ImmutableAccountConfig>();
        ImmutableAccountConfig accountConfig1 = new ImmutableAccountConfig(0.02, 0.05);
        immutableAccountConfigMap.put("user1", accountConfig1);
        ImmutableAccountConfig accountConfig2 = new ImmutableAccountConfig(0.03, 0.04);
        immutableAccountConfigMap.put("user2", accountConfig2);

        //final ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);
        executor.execute(new Runnable() {
            Random r = new Random();

            @Override
            public void run() {
                Long t1 = System.nanoTime();
                for (int i = 0; i < 100000000; i++) {
                    Order order = MockOrder();
                    ImmutableAccountConfig immutableAccountConfig = 
                            immutableAccountConfigMap.get(order.getUser());

                    double price = order.getPrice() * order.getCount()
                            * (1 - immutableAccountConfig.getMembershipDiscount())
                            * (1 - immutableAccountConfig.getSpecialEventDiscount());
                }
                Long t2 = System.nanoTime();
                System.out.println("Immutable:" + (t2 - t1));
            }

            private Order MockOrder() {
                Order order = new Order();
                order.setUser("user1");
                order.setPrice(r.nextDouble() * 1000);
                order.setCount(r.nextInt(10));
                return order;
            }

        });

        executor.execute(new Runnable() {
            Random r = new Random();

            @Override
            public void run() {
                while (true) {
                    //lock.writeLock().lock();
                    ImmutableAccountConfig oldImmutableAccountConfig = 
                            immutableAccountConfigMap.get("user1");
                    Double membershipDiscount = r.nextInt(10) / 100.0;
                    Double specialEventDiscount = 
                            oldImmutableAccountConfig.getSpecialEventDiscount();
                    ImmutableAccountConfig newImmutableAccountConfig = 
                            new ImmutableAccountConfig(membershipDiscount,
                            specialEventDiscount);
                    immutableAccountConfigMap.put("user1", newImmutableAccountConfig);
                    //lock.writeLock().unlock();
                    try {
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        });
}

（註：如果有多個寫進程，我們還是需要對他們加寫鎖，否則不同線程的配置信息修改會被相互覆蓋。而讀線程是不要加鎖的。）

 

結果：

ReadWriteLock:5289501171
Immutable    :3599621120

 

測試結果表明，採用不可變對象的方式要比採用讀寫鎖的方式快很多。但是，並沒有數量級的差距。

真實的項目環境的性能差別，還要以實際的項目測試為準。因為不同項目，讀寫線程的個數，負載和使用方式都是不一樣的，得到的結果也會不一樣。

 

設計上的優勢

採用不可變對象方式，相比讀寫鎖的好處還有就是在設計上的 -- 由於不可變對象的特性，我們不必擔心項目組的程式員會錯誤的使用配置類： 讀進程不用加鎖，所以不用擔心在需要被加讀鎖的地方沒有合理的加鎖，導致數據不一致性（但如果是多進程寫，還是要非常註意加寫鎖）；也不用擔心配置在不被預期的地方被任意修改。

 

我們不能簡單地說，在任何場景下採用Immutable對象就一定比採用讀寫鎖的方式好, 還取決於讀寫的頻率、Immutable對象更新的代價等因素。但是我們可以通過這個例子，更清楚的理解採用Immutable對象的好處，並認真地在項目中考慮它，因為有可能為效率和設計帶來很大的好處。

 

google的不可變集合類庫

如果我們採用集合或者Map來保存不可變信息，我們可以採用google的不可變集合類庫（屬於Guava項目）。（JDK並沒有實現原生的不可變集合類庫）

http://mvnrepository.com/artifact/com.google.collections/google-collections/1.0

 

下麵寫一些代碼示例一下：

     public static void main(String[] args) throws Exception {
        //創建ImmutableMap
        ImmutableMap<String,Double> immutableMap = ImmutableMap.<String,Double>builder()
                .put("SpecialEventDiscount", 0.01)
                .put("MembershipDiscount", 0.02)
                .build();
        
        //基於原ImmutableMap生成新的更新的ImmutableMap
        Map<String,Double> tempMap = Maps.newHashMap(immutableMap);
        tempMap.put("MembershipDiscount", 0.03);
        ImmutableMap<String,Double> newImmutableMap = ImmutableMap.<String,Double>builder()
                .putAll(tempMap)
                .build();
    }

 

Binhua Liu原創文章，轉載請註明原地址http://www.cnblogs.com/Binhua-Liu/p/5573444.html


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