Java并发性和多线程介绍、优缺点

痛定思痛。 2022-06-07 13:10 183阅读 0赞

在过去 单核CPU 时代，单任务在一个时间点只能执行单一程序。之后发展到多任务阶段，计算机能在同一时间点并行执行多任务或多进程。虽然并 不是真正意义上的“同一时间点”，而是多个任务或进程共享一个CPU ，并交 由操作系统来完成多任务间对CPU的运行切换 ，以使得每个任务都有机会获得一定的时间片运行。

随着多任务对软件开发者带来的新挑战，程序不在能假设独占所有的CPU时间、所有的内存和其他计算机资源。一个好的程序应该 在其不再使用资源时对资源进行释放，以使得其他程序能有机会使用这些资源。

总结：单核CPU上的多线程，只是 由操作系统来完成多任务间对CPU的运行切换。并非真正意义上的并发。

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随着多核CPU的出现，也就 意味着不同的线程能被不同的CPU核得到真正意义的并行执行 ，故而多线程技术得到广泛应用。

并发多线程编程的弊端：

*  如果一个线程在读一个内存时，另一个线程正向该内存进行写操作，那进行读操作的那个线程将获得什么结果呢？是写操作之前旧的值？还是写操作成功之后的新值？或是一半新一半旧的值？
 *  如果是两个线程同时写同一个内存，在操作完成后将会是什么结果呢？是第一个线程写入的值？还是第二个线程写入的值？还是两个线程写入的一个混合值？
 *  因此如没有合适的预防措施，任何结果都是可能的。而且这种行为的发生甚至不能预测，所以结果也是不确定性的。

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尽管面临很多挑战， 多线程有一些优点使得它一直被使用。这些优点 是：

*  资源利用率更好
 *  程序设计在某些情况下更简单
 *  程序响应更快

**资源利用率更好**

想象一下，一个应用程序需要从本地文件系统中读取和处理文件的情景。比方说，从磁盘读取一个文件需要5秒，处理一个文件需要2秒。处理两个文件则需要：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="width:170px;">1</td> 
   <td style="width:518px;"><span style="background-color:transparent;color:#000000;">5秒读取文件A</span></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:170px;">2</td> 
   <td style="width:518px;"><span style="background-color:transparent;color:#000000;">2秒处理文件A</span></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:170px;">3</td> 
   <td style="width:518px;"><span style="background-color:transparent;color:#000000;">5秒读取文件B</span></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:170px;">4</td> 
   <td style="width:518px;"><span style="background-color:transparent;color:#000000;">2秒处理文件B</span></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:170px;">5</td> 
   <td style="width:518px;"><span style="background-color:transparent;color:#000000;">共需要14秒</span></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

从磁盘中读取文件的时候，大部分的CPU时间用于等待磁盘去读取数据。在这段时间里，CPU非常的空闲。它可以做一些别的事情。通过改变操作的顺序，就能够更好的使用CPU资源。看下面的顺序：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="width:170px;">1</td> 
   <td style="width:518px;"><span style="background-color:transparent;color:#000000;">5秒读取文件A</span></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:170px;">2</td> 
   <td style="width:518px;"><span style="background-color:transparent;color:#000000;">5秒读取文件B +&nbsp;2秒处理文件A</span></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:170px;">3</td> 
   <td style="width:518px;"><span style="background-color:transparent;color:#000000;">2秒处理文件B</span></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:170px;">4</td> 
   <td style="width:518px;"><span style="background-color:transparent;color:#000000;">总共需要12秒</span></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

CPU等待第一个文件被读取完。然后开始读取第二个文件。当第二文件在被读取的时候，CPU会去处理第一个文件。记住，在等待磁盘读取文件的时候，CPU大部分时间是空闲的。

总的说来，CPU能够在等待IO的时候做一些其他的事情。这个不一定就是磁盘IO。它也可以是网络的IO，或者用户输入。通常情况下，网络和磁盘的IO比CPU和内存的IO慢的多。

**程序设计更简单**

在单线程应用程序中，如果你想编写程序手动处理上面所提到的读取和处理的顺序，你必须记录每个文件读取和处理的状态。相反，你可以启动两个线程，每个线程处理一个文件的读取和操作。线程会在等待磁盘读取文件的过程中被阻塞。在等待的时候，其他的线程能够使用CPU去处理已经读取完的文件。其结果就是，磁盘总是在繁忙地读取不同的文件到内存中。这会带来磁盘和CPU利用率的提升。而且每个线程只需要记录一个文件，因此这种方式也很容易编程实现。

**程序响应更快**

**将一个单线程应用程序变成多线程应用程序的另一个常见的目的是实现一个响应更快的应用程序。设想一个服务器应用，它在某一个端口监听进来的请求。当一个请求到来时，它去处理这个请求，然后再返回去监听。**

服务器的流程如下所述：

**while**(server is active)\{

listen  **for** request

process request

如果一个请求需要占用大量的时间来处理，在这段时间内新的客户端就无法发送请求给服务端。只有服务器在监听的时候，请求才能被接收。另一种设计是，监听线程把请求传递给工作者线程(worker thread)，然后立刻返回去监听。而工作者线程则能够处理这个请求并发送一个回复给客户端。这种设计如下所述：

while(server is active)\{

listen for request

hand request to worker thread

这种方式，服务端线程迅速地返回去监听。因此，更多的客户端能够发送请求给服务端。这个服务也变得响应更快。

桌面应用也是同样如此。如果你点击一个按钮开始运行一个耗时的任务，这个线程既要执行任务又要更新窗口和按钮，那么在任务执行的过程中，这个应用程序看起来好像没有反应一样。相反，任务可以传递给工作者线程（word thread)。当工作者线程在繁忙地处理任务的时候，窗口线程可以自由地响应其他用户的请求。当工作者线程完成任务的时候，它发送信号给窗口线程。窗口线程便可以更新应用程序窗口，并显示任务的结果。对用户而言，这种具有工作者线程设计的程序显得响应速度更快。

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多线程程序也有一些弊端，如设计复杂上升，数据共享使数据唯一性难以控制，增加资源消耗

设计更复杂：

一般多线程程序比单线程程序的设计要复杂。在多线程访问共享数据的时候，这部分代码需要特别的注意。线程之间的交互往往非常复杂。不正确的线程同步产生的错误非常难以被发现，并且重现以修复。

上下文切换的开销：

当CPU从执行一个线程切换到执行另外一个线程的时候，它需要先存储当前线程的本地的数据，程序指针等，然后载入另一个线程的本地数据，程序指针等，最后才开始执行。这种切换称为“上下文切换”(“context switch”)。CPU会在一个上下文中执行一个线程，然后切换到另外一个上下文中执行另外一个线程。上下文切换并不廉价。如果没有必要，应该减少上下文切换的发生。

增加资源消耗： 线程在运行的时候需要从计算机里面得到一些资源。除了CPU，线程还需要一些内存来维持它本地的堆栈。它也需要占用操作系统中一些资源来管理线程。我们可以尝试编写一个程序，让它创建100个线程，这些线程什么事情都不做，只是在等待，然后看看这个程序在运行的时候占用了多少内存。