一、并发编程的挑战

曾经终败给现在 2022-06-14 02:11 262阅读 0赞

由于最近在看《Java并发编程的艺术》，为了强迫自己看下去，就看着书，写着博客，也能把看书时自己的一些观点加入其中，方便理解和记忆。

Java并发编程的目的是为了让程序运行的更快，但不是启动更多的线程就能让程序最大限度的执行，因为在并发编程中，启动更多的线程，会面临上下文切换、死锁、以及所使用的软件和硬件的资源限制等问题。  
**1.1上下文切换**  
单核处理器下，多线程执行代码，cpu给每个线程分配cpu时间片来实现多线程，cpu不停地切换线程执行，让我们感觉多个线程是同时执行的。  
Cpu通过时间片分配算法来循环执行任务，当任务A执行一个时间片后会切换到下一个任务B，切换前会保存任务A的状态， 方便下次切换回这个任务时，可以再加载这个任务的状态。任务A从保存到再加载的过程就是一次上下文切换。  
生活中的例子：读书时，发现生词，查字典，但是必须记住自己看到哪里了，方便查完字典继续看书，这种切换影响读书效率，同样上下文切换影响多线程的执行速度。

多线程一定快吗？  
使用多线程进行并发执行，不一定会比顺序执行快，因为线程有创建和上下文切换的时间开销。

如何减少上下文切换  
减少上下文切换的方法有：  
无锁并发编程：多线程竞争锁时，引起上下文切换，用一些方法来避免使用锁，比如将数据的ID按照Hash算法取模分段，不同的线程处理不同段的数据。  
CAS算法:Java的Atomic包使用CAS算法来更新数据，而不需要加锁。  
使用最少线程：避免创建不需要的线程，比如任务很少，但是创建很多线程来处理，这样会造成大量线程都处于等待状态。  
使用协程：在单线程里实现多任务的调度，并在单线程里维持多个任务间的切换。

**1.2 死锁**  
锁是个非常有用的工具，运用场景非常多，因为它使用起来非常简单，而且易于理解。但同时它也会带来一些困扰，那就是可能会引起死锁，一旦产生死锁，就会造成系统功能不可用。让我们先来看一段代码，这段代码会引起死锁，使线程t1和线程t2互相等待对方释放锁。

public class DeadLockDemo { 
        private static String A = "A";
        private static String B = "B";
        public static void main(String[] args) {
            new DeadLockDemo().deadLock();
        }
        private void deadLock() {
            Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    synchronized (A) {
                    try { 
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
                        Thread.currentThread().sleep(2000);
                    } 
                    catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    synchronized (B) {
                        System.out.println("1");
                    }
                    }
                    }
                },"aaa");
            Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    synchronized (B) {
                        synchronized (A) {
                            System.out.println("2");
                        }
                    }
                }
            });
            t1.start();
            t2.start();
        }
    }

![这里写图片描述][SouthEast]  
这段代码只是演示死锁的场景，在现实中你可能不会写出这样的代码。但是，在一些更为复杂的场景中，你可能会遇到这样的问题，比如t1拿到锁之后，因为一些异常情况没有释放锁（死循环）。又或者是t1拿到一个数据库锁，释放锁的时候抛出了异常，没释放掉。

一旦出现死锁，业务是可感知的，因为不能继续提供服务了，那么只能通过dump线程查看到底是哪个线程出现了问题，以下线程信息告诉我们是DeadLockDemo类的第42行和第31行引起的死锁。

"Thread-2" prio=5 tid=7fc0458d1000 nid=0x116c1c000 waiting for monitor entry [116c1b000
    java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
    at com.ifeve.book.forkjoin.DeadLockDemo$2.run(DeadLockDemo.java:42)
    - waiting to lock <7fb2f3ec0> (a java.lang.String)
    - locked <7fb2f3ef8> (a java.lang.String)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:695)
    "Thread-1" prio=5 tid=7fc0430f6800 nid=0x116b19000 waiting for monitor entry [116b18000
    java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
    at com.ifeve.book.forkjoin.DeadLockDemo$1.run(DeadLockDemo.java:31)
    - waiting to lock <7fb2f3ef8> (a java.lang.String)
    - locked <7fb2f3ec0> (a java.lang.String)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:695)

避免死锁的常见方法  
1、避免一个线程同时获取多个锁  
2、避免一个线程在锁内同时占用多个资源，尽量保证每个锁只占用一个资源  
3、尝试使用定时锁，使用lock.tryLock（timeout）来替代使用内部锁机制  
4、对于数据库锁，加锁和解锁必须在一个数据库连接里，否则会出现解锁失败的情况

**1.3 资源限制的挑战**  
1）什么是资源限制  
在并发编程中，程序的执行速度受限于硬件或软件资源  
例如：服务器带宽只有2Mb/s,某个资源的下载速度是1Mb/s，为了加快下载速度，启动了10个线程下载资源，下载速度不会变成10Mb/s。  
硬件资源限制有：带宽的上传/下载速度、硬盘读写速度、cpu的处理速度  
软件资源限制有：数据库的连接数、socket连接数等。  
2）资源限制引发的问题  
在并发编程中，加快代码执行速度的原则是将代码中串行执行的部分变成并发执行，但是如果将某段串行的代码并发执行，由于受限于资源，仍然在串行执行，这时候程序反而会更慢，因为增加了上下文切换和资源调度的时间。  
3）如何解决资源限制的问题  
对于硬件资源限制，可以考虑使用集群并行执行程序。既然单机的资源有限制，那么就让程序在多机上运行。比如使用ODPS、Hadoop或者自己搭建服务器集群，不同的机器处理不同的数据，可以通过“数据ID/机器数”，计算得到一个机器编号，然后由对应编号的机器处理这笔数据。  
4）在资源限制情况下进行并发编程  
根据不同的资源限制调整程序的并发度，比如下载文件程序依赖于两个资源–带宽和硬盘读写速度。有数据库操作时，涉及数据库连接数，如果sql执行非常快，而线程的数量比数据库连接数大很多，则某些线程会被阻塞，等待数据库连接。

参考 《Java并发编程的艺术》

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