并发程序的宏观性问题

素颜马尾好姑娘i 2022-01-22 13:05 108阅读 0赞

主要有三个问题：  
安全性问题，活跃性问题，性能问题。

**首先安全性问题**，表现是怎么样的呢？我们写并发程序时，希望程序按照我们期望的执行顺序来执行，但是他们都没按照我们期望的方式运行，那么怎样才能写出线程安全的程序呢？先来讨论一下引起并发程序bug的三个源头：  
原子性，可见性，和有序性。

适用于一条规则就是，存在共享数据并且该数据会发生变化，有多个线程会同时读写一个数据。那面对需要多个线程共享的数据的情况下，怎么保证安全性呢？

于是引入了一个数据竞争的概念。即多个线程同时读写同一数据的情况，会产生数据竞争。可能通常情况下，认为通过加锁就能解决并发问题，其实这是片面的。

**数据竞争的名字叫竞态条件，指的是程序的执行结果依赖线程执行的顺序。**

demo:

class Account {
      private int balance;
      // 转账
      void transfer(
          Account target, int amt){
        if (this.balance > amt) {
          this.balance -= amt;
          target.balance += amt;
        }
      } 
    }

当2个线程同时执行transfer方法时，并发进入，同时判断if条件，2个线程同时满足条件，就会发现各自线程当前都读取了this.balance于是都会执行下列转账操作，于是导致错误。  
这类竞态条件的一种通用形式类似：

if (状态变量 满足 执行条件) {
      执行操作
    }

再来一个demo:

public class Test {
      private long count = 0;
      synchronized long get(){
        return count；
      }
      synchronized void set(long v){
        count = v;
      } 
      void add10K() {
        int idx = 0;
        while(idx++ < 10000) {
          set(get()+1)      
        }
      }
    }

给get，set方法加上 synchronized关键字，保证串行化。当2个线程同时执行add10K方法时，进入到get()+1.虽然set.get方法保证了串行化，但是2个线程分别得到了同一个get()+1值的可能性还是有的。于是满足了这样其中一个线程执行了一次set方法后，第二个线程再执行set方法就会把第一个线程的值给覆盖掉。  
怎么解决这个方法呢，继续加锁，只不过锁的范围控制好竞态条件即可。

**活跃性问题**。指某个操作无法执行下去，常见的死锁就是一种典型的活跃性问题，除了死锁外，分别是活锁和饥饿。

活锁：有时线程虽然没有发生阻塞，但仍然会存在执行不下去的情况，这就是所谓的活锁。  
即线程双方主动放弃资源后，最后同时竞争，还是同时阻塞。  
解决办法：设置等待一个随机的时间，来降低发生竞争的概率。

饥饿：指的是线程因无法访问所需资源而无法执行下去的情况。  
如果线程优先级“不均”，在 CPU 繁忙的情况下，优先级低的线程得到执行的机会很小，就可能发生线程“饥饿”；持有锁的线程，如果执行的时间过长，也可能导致“饥饿”问题。  
解决饥饿方法：  
一保证资源充足，二公平的分配资源，三就是避免长时间持有锁的线程的执行。三个方案中，方案一和方案三适用场景比较有限。那怎么实现方案二呢，使用Java里的公平锁即可。

**性能问题：**  
使用锁，除了小心安全性，和活跃性，还要注意使用锁带来的性能开销。如果锁的范围过大，那么就会带来性能不佳。假设串行百分比是 5%，使用多核多线程能提升多少性能呢？20倍。阿姆达尔（Amdahl）定律告诉我们。

那么解决办法是什么:  
一使用锁带来性能问题，那么就使用无锁的算法和数据结构，线程本地存储 (Thread Local Storage, TLS)、写入时复制 (Copy-on-write)、乐观锁等；Java 并发包里面的原子类也是一种无锁的数据结构；Disruptor 则是一个无锁的内存队列，性能都非常好……

二减少锁持有的时间，互斥锁本质上是将并行的程序串行化，增加性能，减少锁的执行时间，那么其它线程就会拥有更多的执行的机会，实现的技术例如使用细粒度的锁，一个典型的例子就是 Java 并发包里的 ConcurrentHashMap，它使用了所谓分段锁的技术（这个技术后面我们会详细介绍）；还可以使用读写锁，也就是读是无锁的，只有写的时候才会互斥。