JAVA大量锁等待导致TPS暴跌的排查：锁分析器与可视化工具
大家好，今天我们来聊聊一个在实际生产环境中非常常见且棘手的问题：JAVA应用由于大量锁等待导致TPS暴跌。我们会深入探讨如何使用锁分析器和可视化工具来定位和解决这类问题。
一、锁竞争的根源与影响
在并发编程中，锁是保证线程安全的重要机制。但过度使用或不合理使用锁会导致严重的性能问题，最常见的就是锁竞争。
- 锁竞争的定义： 多个线程尝试获取同一个锁，但只有一个线程能够成功获取，其他线程则进入阻塞状态等待锁的释放。
- 锁竞争的影响：
- TPS (Transactions Per Second) 暴跌： 大量线程阻塞等待锁，导致处理请求的线程数量急剧减少，系统吞吐量下降。
- CPU利用率降低： 虽然系统负载很高，但CPU并没有充分利用，因为大量时间花费在线程上下文切换和锁管理上。
- 响应时间延长： 用户请求需要等待更长的时间才能得到响应，用户体验极差。
- 死锁： 多个线程互相等待对方释放锁，导致所有线程都无法继续执行。
二、定位锁竞争的工具与方法
当TPS暴跌时，我们需要快速定位锁竞争的瓶颈。以下介绍几种常用的工具和方法：
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jstack：线程快照分析
jstack是JDK自带的命令行工具，用于生成JAVA虚拟机当前时刻的线程快照（thread dump）。通过分析线程快照，我们可以找出哪些线程正在等待锁，以及它们正在等待哪个锁。-
使用方法：
jstack <pid> > thread_dump.txt其中
<pid>是JAVA进程的进程ID。 -
分析思路：
- 查找
"waiting for monitor entry"状态的线程： 这些线程正在等待获取锁。 - 查看
"locked ownable synchronizers"： 这些线程已经持有了一些锁。 - 结合线程堆栈信息，找到锁的持有者和等待者，以及它们正在执行的代码。
- 查找
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示例：
"Thread-1" #11 prio=5 os_prio=0 tid=0x00007f9a280c4000 nid=0x1903 waiting for monitor entry [0x00007f9a290c4000] java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor) at com.example.LockExample.increment(LockExample.java:15) - waiting to lock <0x000000076b0b3a30> (a com.example.LockExample) at com.example.LockExample$MyThread.run(LockExample.java:23) at java.lang.Thread.run(Thread.java:748) "Thread-0" #10 prio=5 os_prio=0 tid=0x00007f9a280c3000 nid=0x1902 runnable [0x00007f9a291c5000] java.lang.Thread.State: RUNNABLE at com.example.LockExample.increment(LockExample.java:13) - locked <0x000000076b0b3a30> (a com.example.LockExample) at com.example.LockExample$MyThread.run(LockExample.java:23) at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)在这个例子中，
Thread-1正在等待获取对象<0x000000076b0b3a30>上的锁，而Thread-0已经持有了这个锁。通过堆栈信息，我们可以看到increment方法是锁竞争的根源。
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VisualVM：可视化监控工具
VisualVM是一款功能强大的可视化监控工具，可以监控JAVA虚拟机的各种信息，包括线程、内存、CPU、类加载等。它提供了图形化的界面，方便我们观察锁竞争的情况。
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安装与启动： VisualVM通常包含在JDK中，可以在JDK的
bin目录下找到。 -
线程监控： 在VisualVM的线程标签页，我们可以看到线程的状态、CPU占用率、阻塞时间等信息。通过观察线程状态的变化，可以发现哪些线程经常处于阻塞状态。
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线程Dump： VisualVM也可以生成线程快照，与
jstack的功能类似。 -
CPU Profiler： VisualVM的CPU Profiler可以分析CPU占用率，找出消耗CPU最多的方法。如果锁竞争导致CPU利用率降低，CPU Profiler可以帮助我们找到锁竞争的热点代码。
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JConsole：JAVA监控与管理控制台
JConsole是JDK自带的JAVA监控与管理控制台。它可以通过JMX（JAVA Management Extensions）连接到JAVA虚拟机，监控和管理虚拟机的各种信息。
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MBean： JConsole可以通过MBean（Managed Bean）获取虚拟机的各种信息，包括线程、内存、类加载等。
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线程监控： JConsole可以显示线程的状态、CPU占用率、阻塞时间等信息。
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死锁检测： JConsole可以检测死锁，并显示死锁线程的信息。
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Arthas：在线诊断工具
Arthas是阿里巴巴开源的JAVA在线诊断工具。它可以在不重启应用的情况下，诊断应用的各种问题，包括锁竞争、CPU占用率高、内存泄漏等。
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thread命令： Arthas的thread命令可以查看线程的状态、CPU占用率、阻塞时间等信息。它还可以打印线程的堆栈信息。 -
monitor命令： Arthas的monitor命令可以监控方法的执行情况，包括执行次数、平均耗时、错误率等。通过监控锁竞争的代码，可以发现锁竞争的热点。 -
stack命令： Arthas的stack命令可以打印方法的调用堆栈，帮助我们分析锁竞争的根源。 -
trace命令： Arthas的trace命令可以跟踪方法的执行路径，帮助我们理解代码的执行流程。 -
示例：
# 查看所有线程的状态 thread # 查看线程ID为1的线程的堆栈信息 thread 1 # 监控com.example.LockExample.increment方法的执行情况 monitor com.example.LockExample.increment
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锁分析器：专门的锁竞争分析工具
一些专业的性能分析工具，如JProfiler、YourKit等，提供了更高级的锁分析功能。这些工具可以图形化地展示锁的持有者和等待者，以及锁的竞争情况，帮助我们更直观地理解锁竞争的瓶颈。
三、锁竞争的常见场景与解决方案
定位到锁竞争的瓶颈后，我们需要分析锁竞争的原因，并采取相应的解决方案。以下介绍几种常见的锁竞争场景和解决方案：
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粗粒度锁： 使用范围过大的锁会导致大量线程阻塞。
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解决方案：
- 拆分锁： 将一个大锁拆分成多个小锁，降低锁的竞争程度。例如，可以使用
ConcurrentHashMap代替HashMap，ReentrantReadWriteLock代替ReentrantLock。 - 锁分离： 将读操作和写操作分离，使用读写锁分别保护读操作和写操作。
- 减少锁的持有时间： 尽可能缩短锁的持有时间，避免在锁保护的代码块中执行耗时操作。
- 拆分锁： 将一个大锁拆分成多个小锁，降低锁的竞争程度。例如，可以使用
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示例：
// 粗粒度锁 public class CoarseGrainedLock { private final Object lock = new Object(); private int count = 0; public void increment() { synchronized (lock) { // 耗时操作 try { Thread.sleep(10); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } count++; } } } // 细粒度锁 public class FineGrainedLock { private final Object lock = new Object(); private volatile int count = 0; public void increment() { int oldValue, newValue; do { oldValue = count; // 使用CAS操作代替锁 newValue = oldValue + 1; } while (!compareAndSet(oldValue, newValue)); } private synchronized boolean compareAndSet(int expectedValue, int newValue) { if (count == expectedValue) { count = newValue; return true; } return false; } }
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热点数据： 多个线程同时访问同一份数据，导致锁竞争激烈。
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解决方案：
- 缓存： 将热点数据缓存到本地，减少对共享数据的访问。可以使用
ConcurrentHashMap作为本地缓存。 - 数据分片： 将数据分成多个片段，每个片段使用不同的锁保护。
- Copy-on-Write： 对于读多写少的场景，可以使用Copy-on-Write机制。当需要修改数据时，复制一份数据，修改副本，然后替换原来的数据。
- 缓存： 将热点数据缓存到本地，减少对共享数据的访问。可以使用
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示例：
// 热点数据 public class HotData { private final Object lock = new Object(); private int count = 0; public int getCount() { synchronized (lock) { return count; } } public void increment() { synchronized (lock) { count++; } } } // 缓存 public class HotDataWithCache { private final HotData hotData = new HotData(); private final ConcurrentHashMap<String, Integer> cache = new ConcurrentHashMap<>(); public int getCount() { String key = "count"; Integer cachedValue = cache.get(key); if (cachedValue != null) { return cachedValue; } int value = hotData.getCount(); cache.put(key, value); return value; } public void increment() { hotData.increment(); cache.clear(); // 清空缓存 } }
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死锁： 多个线程互相等待对方释放锁，导致所有线程都无法继续执行。
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解决方案：
- 避免循环等待： 确保线程获取锁的顺序一致，避免形成循环等待。
- 使用超时机制： 当线程等待锁的时间超过一定阈值时，放弃等待，释放已经持有的锁。
- 死锁检测与恢复： 使用JConsole或一些专业的锁分析工具，检测死锁，并尝试恢复死锁。例如，可以强制释放某个线程持有的锁。
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示例：
// 死锁 public class Deadlock { private final Object lock1 = new Object(); private final Object lock2 = new Object(); public void method1() { synchronized (lock1) { try { Thread.sleep(10); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } synchronized (lock2) { System.out.println("method1"); } } } public void method2() { synchronized (lock2) { try { Thread.sleep(10); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } synchronized (lock1) { System.out.println("method2"); } } } } // 避免死锁 (一致的加锁顺序) public class AvoidDeadlock { private final Object lock1 = new Object(); private final Object lock2 = new Object(); public void method1() { synchronized (lock1) { try { Thread.sleep(10); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } synchronized (lock2) { System.out.println("method1"); } } } public void method2() { synchronized (lock1) { // 关键：保持与method1一致的加锁顺序 try { Thread.sleep(10); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } synchronized (lock2) { System.out.println("method2"); } } } }
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不必要的同步： 对不需要同步的代码块进行同步，导致性能下降。
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解决方案：
- 移除不必要的同步： 仔细检查代码，移除不必要的同步代码块。
- 使用局部变量： 尽可能使用局部变量，避免多个线程同时访问共享变量。
- 使用线程安全的数据结构： 使用
ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList等线程安全的数据结构，代替非线程安全的数据结构。
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示例：
// 不必要的同步 public class UnnecessarySynchronization { private int count = 0; public synchronized void increment() { // 只有count++需要同步，其他代码不需要 count++; System.out.println("increment"); } } // 移除不必要的同步 public class RemoveUnnecessarySynchronization { private int count = 0; public void increment() { synchronized (this) { count++; } System.out.println("increment"); // 移到同步块外 } }
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锁的错误使用： 例如，在锁保护的代码块中抛出异常，导致锁无法释放。
-
解决方案：
- 使用
try-finally块： 确保锁在任何情况下都能被释放。 - 避免在锁保护的代码块中抛出异常： 尽量避免在锁保护的代码块中执行可能抛出异常的代码。
- 使用
-
示例：
// 锁的错误使用 public class LockMisuse { private final Object lock = new Object(); public void process() { synchronized (lock) { // 如果这里抛出异常，锁将无法释放 throw new RuntimeException("Error"); } } } // 使用try-finally块 public class LockWithTryFinally { private final Object lock = new Object(); public void process() { synchronized (lock) { try { // 执行代码 throw new RuntimeException("Error"); } finally { // 确保锁被释放 System.out.println("Lock released"); } } } }
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四、优化锁竞争的通用原则
在解决锁竞争问题时，可以遵循以下通用原则：
- 减少锁的竞争程度： 尽量使用细粒度锁，减少锁的持有时间，避免在锁保护的代码块中执行耗时操作。
- 降低锁的开销： 使用轻量级锁，例如偏向锁、自旋锁等。避免使用重量级锁，例如互斥锁。
- 避免死锁： 确保线程获取锁的顺序一致，使用超时机制，检测死锁并尝试恢复。
- 使用无锁并发： 尽可能使用无锁并发技术，例如CAS操作、原子类等。
- 监控与调优： 使用锁分析器和可视化工具，监控锁竞争的情况，并根据实际情况进行调优。
五、一些更深入的优化策略
-
使用
StampedLock：StampedLock是JDK 8引入的一种新的锁机制，它提供了三种模式：写锁、悲观读锁和乐观读锁。乐观读锁允许多个线程同时读取数据，只有在需要修改数据时才需要获取写锁。 -
使用
LongAdder：LongAdder是JDK 8引入的一种高性能的计数器。它使用分段锁的方式，将计数器分成多个片段，每个片段使用不同的锁保护。这样可以降低锁的竞争程度，提高计数器的性能。 -
考虑Actor模型： Actor模型是一种并发编程模型，它将并发单元抽象成Actor，Actor之间通过消息传递进行通信。Actor模型可以避免锁竞争，提高并发性能。
六、代码示例：使用StampedLock优化读多写少的场景
import java.util.concurrent.locks.StampedLock;
public class StampedLockExample {
private final StampedLock stampedLock = new StampedLock();
private int data = 0;
public int readData() {
long stamp = stampedLock.tryOptimisticRead(); // 尝试乐观读
int currentData = data;
if (!stampedLock.validate(stamp)) { // 检查是否有写操作发生
stamp = stampedLock.readLock(); // 获取悲观读锁
try {
currentData = data;
} finally {
stampedLock.unlockRead(stamp); // 释放悲观读锁
}
}
return currentData;
}
public void writeData(int newData) {
long stamp = stampedLock.writeLock(); // 获取写锁
try {
data = newData;
} finally {
stampedLock.unlockWrite(stamp); // 释放写锁
}
}
public static void main(String[] args) {
StampedLockExample example = new StampedLockExample();
// 多个线程并发读取数据
for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(() -> {
System.out.println("Read data: " + example.readData());
}).start();
}
// 一个线程写入数据
new Thread(() -> {
example.writeData(100);
System.out.println("Write data: 100");
}).start();
}
}七、表格总结：工具对比
| 工具 | 功能 | 优点 | 缺点 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| jstack | 生成线程快照，分析线程状态 | JDK自带，使用简单 | 分析结果需要人工解析，不够直观 | 简单的问题排查，例如查看线程是否阻塞 |
| VisualVM | 可视化监控JAVA虚拟机，包括线程、内存、CPU等 | 图形化界面，操作方便，功能强大 | 占用资源较多，可能影响应用性能 | 实时监控应用性能，分析线程状态、CPU占用率等 |
| JConsole | JAVA监控与管理控制台，通过JMX连接到JAVA虚拟机 | JDK自带，可以远程监控应用 | 界面不够友好，功能相对简单 | 远程监控应用性能，检测死锁 |
| Arthas | JAVA在线诊断工具，可以在不重启应用的情况下诊断问题 | 无需重启应用，功能强大，例如线程分析、方法监控、堆栈跟踪等 | 需要安装和配置，学习成本较高 | 在线诊断应用问题，例如锁竞争、CPU占用率高、内存泄漏等 |
| 锁分析器 | 专门的锁竞争分析工具，例如JProfiler、YourKit等 | 提供更高级的锁分析功能，例如图形化展示锁的持有者和等待者，锁的竞争情况 | 商业软件，需要付费 | 深入分析锁竞争的瓶颈，优化锁的使用 |
八、写在最后，解决锁问题的一些思考
我们讨论了JAVA锁竞争的根源、影响，以及定位和解决锁竞争的工具和方法。重要的是理解锁竞争的原理，选择合适的工具，并根据实际情况采取相应的解决方案。优化锁的使用，不仅能提高应用的性能，还能提升系统的稳定性和可维护性。在实际工作中，我们需要不断学习和实践，才能成为一名优秀的JAVA工程师。