虚拟线程synchronized挂起导致平台线程阻塞？ReentrantLock替代与JVM锁优化参数

虚拟线程与Synchronized：陷阱、替代与JVM优化

大家好，今天我们来深入探讨一个在并发编程中非常重要，但也容易被忽视的问题：虚拟线程（Virtual Threads）与 synchronized 关键字的交互。我们会分析 synchronized 在虚拟线程环境下可能造成的阻塞问题，探讨 ReentrantLock 作为替代方案的优势，以及如何通过 JVM 锁优化参数来提升并发性能。

虚拟线程的优势与局限

虚拟线程是 JDK 21 中引入的一项重要特性，旨在解决传统线程（平台线程，Platform Threads）在高并发场景下的性能瓶颈。平台线程与操作系统线程一一对应，创建和管理成本较高，限制了并发规模。虚拟线程则是由 JVM 管理的用户态线程，创建和切换成本极低，可以轻松支持数百万级别的并发。

虚拟线程的核心优势在于：

• 轻量级：创建和切换成本远低于平台线程。
• 高并发：可以创建数百万级别的并发线程，提高吞吐量。
• 易用性：与现有的 Java 并发 API 兼容，可以平滑迁移。

然而，虚拟线程并非银弹，它也有自身的局限性。其中一个关键的局限性就在于与 synchronized 关键字的交互。

Synchronized：古老的同步机制

synchronized 关键字是 Java 中最基本的同步机制，用于保证多线程对共享资源访问的互斥性。它可以修饰方法或代码块，在进入 synchronized 代码块或方法时，线程会尝试获取对象的内置锁（也称为监视器锁）。如果锁已经被其他线程持有，则当前线程会被阻塞，直到获取锁。

synchronized 的优势在于：

• 简单易用：语法简洁，易于理解和使用。
• 内置支持：由 JVM 直接支持，无需额外的库。
• 自动释放：即使发生异常，锁也会自动释放。

虚拟线程与 Synchronized 的冲突：平台线程的阻塞

问题就出在这里。当一个虚拟线程尝试获取一个已经被平台线程持有的 synchronized 锁时，虚拟线程会被挂起（parked）。关键在于，这个挂起操作会直接阻塞底层的平台线程。 这就破坏了虚拟线程的轻量级和高并发特性。

考虑以下代码示例：

public class SynchronizedExample {

    private final Object lock = new Object();

    public void accessResource() {
        synchronized (lock) {
            // 模拟耗时操作
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SynchronizedExample example = new SynchronizedExample();

        // 创建一个平台线程持有锁
        Thread platformThread = new Thread(() -> {
            example.accessResource();
            System.out.println("Platform thread released the lock.");
        });
        platformThread.start();

        // 等待平台线程持有锁
        Thread.sleep(10);

        // 创建多个虚拟线程尝试获取锁
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Thread.startVirtualThread(() -> {
                System.out.println("Virtual thread " + Thread.currentThread().getName() + " is trying to acquire the lock.");
                example.accessResource();
                System.out.println("Virtual thread " + Thread.currentThread().getName() + " acquired the lock.");
            });
        }
        platformThread.join();
        Thread.sleep(2000);
    }
}

在这个例子中，一个平台线程首先获取了 lock 对象的锁，然后进入 sleep 状态。接着，我们创建了 10 个虚拟线程，它们都会尝试获取同一个锁。由于平台线程持有锁，这些虚拟线程会被挂起，并且会阻塞底层的平台线程。这意味着，原本可以并行执行的虚拟线程，现在却被阻塞了，并发性能大打折扣。

为什么会这样？

这是因为 synchronized 依赖于操作系统的底层线程机制来实现阻塞和唤醒。当一个虚拟线程被 synchronized 阻塞时，它会将底层的平台线程也一起阻塞。这与虚拟线程的设计初衷相悖，因为虚拟线程应该能够在用户态进行快速的切换，而不应该依赖于操作系统的线程调度。

ReentrantLock：更灵活的替代方案

为了解决 synchronized 在虚拟线程环境下的问题，我们可以使用 ReentrantLock 作为替代方案。ReentrantLock 是 java.util.concurrent.locks 包中的一个类，提供了比 synchronized 更灵活的锁机制。

ReentrantLock 的优势在于：

• 可重入：允许同一个线程多次获取同一个锁。
• 公平性：可以指定锁的获取顺序，避免饥饿现象。
• 可中断：允许线程在等待锁的过程中被中断。
• 条件变量：可以创建多个条件变量，实现更复杂的线程同步。

更重要的是，ReentrantLock 与虚拟线程的交互更加友好。当一个虚拟线程尝试获取一个已经被其他线程持有的 ReentrantLock 时，虚拟线程会被挂起，但不会阻塞底层的平台线程。 JVM 可以继续调度其他的虚拟线程，从而提高并发性能。

让我们修改上面的代码，使用 ReentrantLock：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ReentrantLockExample {

    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public void accessResource() {
        lock.lock();
        try {
            // 模拟耗时操作
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ReentrantLockExample example = new ReentrantLockExample();

        // 创建一个平台线程持有锁
        Thread platformThread = new Thread(() -> {
            example.accessResource();
            System.out.println("Platform thread released the lock.");
        });
        platformThread.start();

        // 等待平台线程持有锁
        Thread.sleep(10);

        // 创建多个虚拟线程尝试获取锁
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Thread.startVirtualThread(() -> {
                System.out.println("Virtual thread " + Thread.currentThread().getName() + " is trying to acquire the lock.");
                example.accessResource();
                System.out.println("Virtual thread " + Thread.currentThread().getName() + " acquired the lock.");
            });
        }
        platformThread.join();
        Thread.sleep(2000);
    }
}

在这个修改后的例子中，我们使用 ReentrantLock 代替了 synchronized。现在，当虚拟线程尝试获取锁时，不会阻塞底层的平台线程，而是可以继续执行其他的虚拟线程，从而提高了并发性能。

总结: 在虚拟线程环境中，优先使用 ReentrantLock 等非阻塞锁，以避免阻塞底层平台线程，充分发挥虚拟线程的优势。

JVM 锁优化参数：提升性能

除了使用 ReentrantLock 之外，我们还可以通过调整 JVM 锁优化参数来提升并发性能。JVM 提供了多种锁优化技术，例如：

• 偏向锁（Biased Locking）：适用于单线程访问的场景，可以减少锁的竞争开销。
• 轻量级锁（Lightweight Locking）：适用于竞争不激烈的场景，通过 CAS 操作来尝试获取锁，避免线程阻塞。
• 自旋锁（Spin Locking）：适用于锁持有时间较短的场景，线程会循环尝试获取锁，而不是立即进入阻塞状态。

这些锁优化技术可以根据不同的场景自动启用，从而提高并发性能。然而，在虚拟线程环境下，我们需要特别注意这些优化参数的设置。

偏向锁 在虚拟线程场景下可能效果不佳，因为虚拟线程切换频繁，导致偏向锁失效，反而增加了开销。可以通过 -XX:-UseBiasedLocking 关闭偏向锁。

轻量级锁 在虚拟线程场景下，由于虚拟线程数量众多，竞争更加激烈，轻量级锁容易升级为重量级锁，反而降低了性能。

自旋锁 需要谨慎使用，因为虚拟线程数量众多，长时间自旋可能会消耗大量的 CPU 资源。可以通过 -XX:PreBlockSpin 控制自旋次数。

以下是一些常用的 JVM 锁优化参数：

参数	描述
-XX:+UseBiasedLocking	启用偏向锁（默认启用）。在虚拟线程场景下，可能需要禁用 -XX:-UseBiasedLocking。
-XX:BiasedLockingStartupDelay	偏向锁启动延迟（单位：毫秒）。
-XX:+UseSpinning	启用自旋锁（默认启用）。
-XX:PreBlockSpin	自旋次数。
-XX:+UseAdaptiveSpinning	启用自适应自旋锁。JVM 会根据历史情况动态调整自旋次数。

重要提示： JVM 锁优化参数的设置需要根据具体的应用场景进行调整。建议通过性能测试来找到最佳的参数配置。

代码示例：调整自旋次数

我们可以通过调整 -XX:PreBlockSpin 参数来控制自旋次数。例如，将自旋次数设置为 10：

java -XX:PreBlockSpin=10 ReentrantLockExample.java

这个命令会将自旋次数设置为 10。这意味着，当一个线程尝试获取锁时，它会循环尝试 10 次，如果仍然无法获取锁，则会进入阻塞状态。

避免阻塞：设计原则

除了使用 ReentrantLock 和调整 JVM 锁优化参数之外，我们还可以通过一些设计原则来避免虚拟线程的阻塞：

• 减少锁的竞争：尽量减少对共享资源的访问，或者使用更细粒度的锁来减少锁的竞争。
• 避免长时间持有锁：尽量缩短持有锁的时间，避免长时间的阻塞。
• 使用非阻塞算法：考虑使用非阻塞算法，例如 CAS 操作，来避免锁的使用。
• 使用并发集合：使用 java.util.concurrent 包中的并发集合，例如 ConcurrentHashMap，来提高并发性能。

总结一下

虚拟线程是 Java 并发编程的一项重要特性，可以显著提高并发性能。然而，在使用虚拟线程时，我们需要特别注意 synchronized 关键字的阻塞问题。ReentrantLock 是一种更灵活的替代方案，可以避免阻塞底层的平台线程。此外，我们还可以通过调整 JVM 锁优化参数和遵循一些设计原则来进一步提升并发性能。记住，性能优化是一个持续的过程，需要根据具体的应用场景进行测试和调整。

选择正确的锁，优化并发

正确地选择同步机制对于虚拟线程至关重要。ReentrantLock 提供了比 synchronized 更多的控制权，尤其是在避免阻塞底层平台线程方面。

JVM 参数调优：小心尝试，谨慎评估

JVM 锁优化参数可以提升性能，但也可能适得其反。务必进行性能测试，找到最适合你的应用场景的配置。

避免阻塞：设计上的改进

设计良好的并发程序应尽可能减少锁的竞争和持有时间，甚至使用非阻塞算法来避免锁的使用。