原創(chuàng)文章&經(jīng)驗總結(jié)&從校招到A廠一路陽光一路滄桑
詳情請戳www.codercc.com
一直以來并發(fā)編程對于剛?cè)胄械男“讈碚f總是覺得高深莫測勇劣，于是乎谬盐，就誕生了想寫點東西記錄下子巾，以提升理解和堆并發(fā)編程的認知模狭。為什么需要用的并發(fā)衔沼？凡事總有好壞兩面晰甚，之間的trade-off是什么降瞳，也就是說并發(fā)編程具有哪些缺點寺庄？以及在進行并發(fā)編程時應(yīng)該了解和掌握的概念是什么？這篇文章主要以這三個問題來談一談力崇。
1. 為什么要用到并發(fā)
一直以來斗塘，硬件的發(fā)展極其迅速，也有一個很著名的"摩爾定律"亮靴，可能會奇怪明明討論的是并發(fā)編程為什么會扯到了硬件的發(fā)展馍盟，這其中的關(guān)系應(yīng)該是多核CPU的發(fā)展為并發(fā)編程提供的硬件基礎(chǔ)。摩爾定律并不是一種自然法則或者是物理定律茧吊，它只是基于認為觀測數(shù)據(jù)后贞岭，對未來的一種預(yù)測。按照所預(yù)測的速度搓侄，我們的計算能力會按照指數(shù)級別的速度增長瞄桨，不久以后會擁有超強的計算能力，正是在暢想未來的時候讶踪，2004年芯侥，Intel宣布4GHz芯片的計劃推遲到2005年，然后在2004年秋季乳讥，Intel宣布徹底取消4GHz的計劃柱查，也就是說摩爾定律的有效性超過了半個世紀戛然而止。但是云石，聰明的硬件工程師并沒有停止研發(fā)的腳步唉工，他們?yōu)榱诉M一步提升計算速度，而不是再追求單獨的計算單元汹忠，而是將多個計算單元整合到了一起淋硝，也就是形成了多核CPU雹熬。短短十幾年的時間，家用型CPU,比如Intel i7就可以達到4核心甚至8核心谣膳。而專業(yè)服務(wù)器則通掣捅ǎ可以達到幾個獨立的CPU，每一個CPU甚至擁有多達8個以上的內(nèi)核参歹。因此，摩爾定律似乎在CPU核心擴展上繼續(xù)得到體驗隆判。因此犬庇，多核的CPU的背景下，催生了并發(fā)編程的趨勢侨嘀，通過并發(fā)編程的形式可以將多核CPU的計算能力發(fā)揮到極致臭挽，性能得到提升。
頂級計算機科學(xué)家Donald Ervin Knuth如此評價這種情況：在我看來咬腕，這種現(xiàn)象（并發(fā)）或多或少是由于硬件設(shè)計者無計可施了導(dǎo)致的欢峰，他們將摩爾定律的責(zé)任推給了軟件開發(fā)者。
另外涨共，在特殊的業(yè)務(wù)場景下先天的就適合于并發(fā)編程纽帖。比如在圖像處理領(lǐng)域，一張1024X768像素的圖片举反，包含達到78萬6千多個像素懊直。即時將所有的像素遍歷一邊都需要很長的時間，面對如此復(fù)雜的計算量就需要充分利用多核的計算的能力火鼻。又比如當我們在網(wǎng)上購物時室囊，為了提升響應(yīng)速度，需要拆分魁索，減庫存融撞，生成訂單等等這些操作，就可以進行拆分利用多線程的技術(shù)完成粗蔚。面對復(fù)雜業(yè)務(wù)模型尝偎，并行程序會比串行程序更適應(yīng)業(yè)務(wù)需求，而并發(fā)編程更能吻合這種業(yè)務(wù)拆分 鹏控。正是因為這些優(yōu)點冬念，使得多線程技術(shù)能夠得到重視，也是一名CS學(xué)習(xí)者應(yīng)該掌握的：
- 充分利用多核CPU的計算能力牧挣；
- 方便進行業(yè)務(wù)拆分急前，提升應(yīng)用性能
2. 并發(fā)編程有哪些缺點
多線程技術(shù)有這么多的好處，難道就沒有一點缺點么瀑构，就在任何場景下就一定適用么裆针？很顯然不是刨摩。
2.1 頻繁的上下文切換
時間片是CPU分配給各個線程的時間，因為時間非常短世吨，所以CPU不斷通過切換線程澡刹，讓我們覺得多個線程是同時執(zhí)行的，時間片一般是幾十毫秒耘婚。而每次切換時罢浇，需要保存當前的狀態(tài)起來，以便能夠進行恢復(fù)先前狀態(tài)沐祷，而這個切換時非常損耗性能嚷闭，過于頻繁反而無法發(fā)揮出多線程編程的優(yōu)勢。通常減少上下文切換可以采用無鎖并發(fā)編程赖临，CAS算法胞锰，使用最少的線程和使用協(xié)程。
無鎖并發(fā)編程：可以參照concurrentHashMap鎖分段的思想兢榨，不同的線程處理不同段的數(shù)據(jù)嗅榕，這樣在多線程競爭的條件下，可以減少上下文切換的時間吵聪。
CAS算法凌那，利用Atomic下使用CAS算法來更新數(shù)據(jù)，使用了樂觀鎖吟逝，可以有效的減少一部分不必要的鎖競爭帶來的上下文切換
使用最少線程：避免創(chuàng)建不需要的線程案怯，比如任務(wù)很少，但是創(chuàng)建了很多的線程澎办，這樣會造成大量的線程都處于等待狀態(tài)
協(xié)程：在單線程里實現(xiàn)多任務(wù)的調(diào)度嘲碱，并在單線程里維持多個任務(wù)間的切換
由于上下文切換也是個相對比較耗時的操作，所以在"java并發(fā)編程的藝術(shù)"一書中有過一個實驗局蚀，并發(fā)累加未必會比串行累加速度要快麦锯。 可以使用Lmbench3測量上下文切換的時長 vmstat測量上下文切換次數(shù)
2.2 線程安全
多線程編程中最難以把握的就是臨界區(qū)線程安全問題，稍微不注意就會出現(xiàn)死鎖的情況琅绅，一旦產(chǎn)生死鎖就會造成系統(tǒng)功能不可用扶欣。
public class DeadLockDemo {
private static String resource_a = "A";
private static String resource_b = "B";
public static void main(String[] args) {
deadLock();
}
public static void deadLock() {
Thread threadA = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
synchronized (resource_a) {
System.out.println("get resource a");
try {
Thread.sleep(3000);
synchronized (resource_b) {
System.out.println("get resource b");
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
});
Thread threadB = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
synchronized (resource_b) {
System.out.println("get resource b");
synchronized (resource_a) {
System.out.println("get resource a");
}
}
}
});
threadA.start();
threadB.start();
}
}
在上面的這個demo中，開啟了兩個線程threadA, threadB,其中threadA占用了resource_a, 并等待被threadB釋放的resource _b千扶。threadB占用了resource _b正在等待被threadA釋放的resource _a料祠。因此threadA,threadB出現(xiàn)線程安全的問題，形成死鎖澎羞。同樣可以通過jps,jstack證明這種推論：
"Thread-1":
waiting to lock monitor 0x000000000b695360 (object 0x00000007d5ff53a8, a java.lang.String),
which is held by "Thread-0"
"Thread-0":
waiting to lock monitor 0x000000000b697c10 (object 0x00000007d5ff53d8, a java.lang.String),
which is held by "Thread-1"
Java stack information for the threads listed above:
===================================================
"Thread-1":
at learn.DeadLockDemo$2.run(DeadLockDemo.java:34)
- waiting to lock <0x00000007d5ff53a8(a java.lang.String)
- locked <0x00000007d5ff53d8(a java.lang.String)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:722)
"Thread-0":
at learn.DeadLockDemo$1.run(DeadLockDemo.java:20)
- waiting to lock <0x00000007d5ff53d8(a java.lang.String)
- locked <0x00000007d5ff53a8(a java.lang.String)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:722)
Found 1 deadlock.
如上所述髓绽，完全可以看出當前死鎖的情況。
那么妆绞，通乘撑唬可以用如下方式避免死鎖的情況：
- 避免一個線程同時獲得多個鎖枫攀；
- 避免一個線程在鎖內(nèi)部占有多個資源，盡量保證每個鎖只占用一個資源株茶；
- 嘗試使用定時鎖来涨，使用lock.tryLock(timeOut)，當超時等待時當前線程不會阻塞启盛；
- 對于數(shù)據(jù)庫鎖蹦掐，加鎖和解鎖必須在一個數(shù)據(jù)庫連接里，否則會出現(xiàn)解鎖失敗的情況
所以僵闯，如何正確的使用多線程編程技術(shù)有很大的學(xué)問卧抗，比如如何保證線程安全，如何正確理解由于JMM內(nèi)存模型在原子性棍厂，有序性颗味，可見性帶來的問題超陆，比如數(shù)據(jù)臟讀牺弹，DCL等這些問題（在后續(xù)篇幅會講述）。而在學(xué)習(xí)多線程編程技術(shù)的過程中也會讓你收獲頗豐时呀。
3. 應(yīng)該了解的概念
3.1 同步VS異步
同步和異步通常用來形容一次方法調(diào)用张漂。同步方法調(diào)用一開始，調(diào)用者必須等待被調(diào)用的方法結(jié)束后谨娜，調(diào)用者后面的代碼才能執(zhí)行航攒。而異步調(diào)用，指的是趴梢，調(diào)用者不用管被調(diào)用方法是否完成漠畜，都會繼續(xù)執(zhí)行后面的代碼，當被調(diào)用的方法完成后會通知調(diào)用者坞靶。比如憔狞，在超時購物，如果一件物品沒了彰阴，你得等倉庫人員跟你調(diào)貨瘾敢，直到倉庫人員跟你把貨物送過來，你才能繼續(xù)去收銀臺付款尿这，這就類似同步調(diào)用簇抵。而異步調(diào)用了，就像網(wǎng)購射众，你在網(wǎng)上付款下單后碟摆，什么事就不用管了，該干嘛就干嘛去了叨橱，當貨物到達后你收到通知去取就好焦履。
3.2 并發(fā)與并行
并發(fā)和并行是十分容易混淆的概念拓劝。并發(fā)指的是多個任務(wù)交替進行，而并行則是指真正意義上的“同時進行”嘉裤。實際上郑临，如果系統(tǒng)內(nèi)只有一個CPU光羞，而使用多線程時孝宗，那么真實系統(tǒng)環(huán)境下不能并行，只能通過切換時間片的方式交替進行西饵，而成為并發(fā)執(zhí)行任務(wù)典奉。真正的并行也只能出現(xiàn)在擁有多個CPU的系統(tǒng)中躺翻。
3.3 阻塞和非阻塞
阻塞和非阻塞通常用來形容多線程間的相互影響，比如一個線程占有了臨界區(qū)資源卫玖，那么其他線程需要這個資源就必須進行等待該資源的釋放公你，會導(dǎo)致等待的線程掛起，這種情況就是阻塞假瞬，而非阻塞就恰好相反陕靠，它強調(diào)沒有一個線程可以阻塞其他線程，所有的線程都會嘗試地往前運行脱茉。
3.4 臨界區(qū)
臨界區(qū)用來表示一種公共資源或者說是共享數(shù)據(jù)剪芥，可以被多個線程使用。但是每個線程使用時琴许，一旦臨界區(qū)資源被一個線程占有税肪，那么其他線程必須等待。
