Java多線程基礎知識---併發與並行基礎-1

一、併發與並行基礎

0.抓住那個CPU

1. 計算機的運算速度非常快，但是在我寫上一句話的時候，我想表達的最深層的意思是：CPU的運行速度很快。早在第一臺計算機（對，就是那個賊大的，一個房間那麼大的計算機）問世的時候，CPU執行運算的速度就直接將我們（也就是在壓榨CPU計算力的外部人員，還有IO設備）遠遠的拋到後面，現代CPU的計算能力早就不是早期CPU所能媲美的，速度比起人類來，快的那叫一個喪心病狂。現在你可以想象以下這個場景：

   你在用計算機計算你的一道線性代數題目，你在鍵盤上輸入你的表達式、限制條件，大概單身20年的手速也要那麼幾秒鐘，如果你電腦的CPU只幹一件事（當然是不可能的）：等你輸入表達式完成後計算其結果。然後你驚訝的發現：你冥思苦想算不出來的幾元幾次方程，剛敲確定鍵電腦就給算出來了，當你驚訝於CPU的高效率時，是否想過，在等你輸入的這段時間裏，以CPU那麼優秀的能力，在這段時間CPU是不是很閒？

2. 在剛纔的場景中，CPU的確很閒。但是在實際的使用場景中，你可能一邊輸入着表達式，一邊聽着網易雲的日推薦，還在後臺下着百度雲資源，再加一個什麼QQ、微信什麼的，但是你發現在你按確定鍵的時候，它還是馬上把它算出來了！並且你的音樂也沒有停，百度雲也還在下載着資源，但是比起上一個場景，就好像CPU有分身術一樣，同時的處理着多個任務，而且這多個任務好像是在同時運行的，並沒有間斷一樣，至少你沒有發現。打開計算機的任務管理器會看見如下的情景：
   
   看見了吧？CPU其實很同時在幹很多事情的！

3. 剛纔的場景，我並沒有感覺到在我寫博文的時候網易雲的音樂停止，所以在我感覺來看，這些任務是同時在進行的（當然還有另外的極端情況：打開軟件太多了，會感覺明顯的卡頓：任務太多了，CPU都受不了了，同時CPU的佔有率會狂飆）。
   剛纔所瞎扯的，是進程層面上的併發。併發的最根本目的就是爲了更好的壓榨CPU這個超級勞動力，爲我們做更多的事情，讓優秀的CPU同學多發光發熱。

1.硬件工程師的甩鍋

想必你一定聽說過摩爾定律，直白的說就是：每18-24個月，我們的CPU處理能力將翻倍。但是萬事都是有極限的，CPU主頻在接近4GHz的時候就已經很難上升了（因爲芯片組件直徑已經達到納米級別），然後硬件工程師突發奇想的把幾個CPU內核集成，於是就有了多核處理器（主要是服務器的硬件，我的微機是單核的）。現在計算機的內核數量不斷地在上升，在提高計算機計算性能的時候也在考驗着軟件工程師：如何發揮出多核計算機系統的最大計算潛力，答案就是：並行。
然後就出來了這個亂七八糟、苦不堪言的多線程問題。你一定會認同我的這個觀點，如果你學多線程的話。

2.併發和並行的區別

你應該聽說過一個和併發很像的詞語：並行。但是併發和並行兩個之間有什麼聯繫和又有區別呢？

併發：簡單的併發理解就是多個任務在高速的切換運行，讓人彷彿以爲他們在同時運行。
其實不是的，併發的概念主要是針對單核處理機（只有一個物理內核的處理機或者多核處理機的一個具體的物理內核），因爲只有一個CPU，所以多個任務只能間接的佔用CPU執行，每個任務會佔用CPU的一定時間（CPU的進程調度，視具體的調度算法而定，簡單的就是時間片輪轉調度算法），但是這個時間間隔人類幾乎無法察覺（可能是10-100ms，或者更短，也許你會覺得太短了，但是這點時間已經可以讓CPU執行上千條指令），所以就算是任務是間隔運行的，我們會產生我們的任務在同時運行的錯覺（當然，任務太多了，CPU也忙不過來，所以你就可以察覺了，比如你的軟件變得很卡）。
並行：簡單的並行概念也是同時運行多個任務，是真正意義的同時運行。並行的概念是針對多核處理機的，（這裏和上面所提到的內核都是物理內核，而不是超線程技術實現的邏輯核，邏輯核是和併發相識的概念），多核處理機的多個CPU內核可以做到真正的同時進行，有多少個物理內核，就可以有多少個並行的任務，互不干涉。

注：進程的上下文切換和多CPU分別運行一個進程的一部分線程的情況就涉及到操作系統太深了，我就不提了（主要是不太瞭解），同時在下面的博文中，將不再對併發和並行進行區分，統一稱爲：併發。

3.併發的思想基礎

併發編程還需要思想基礎？沒錯！併發編程必須要有併發的編程思想基礎（也就是做好頭疼的準備，併發會挑戰認知極限），併發編程與順序編程的最大不同就是：
我不能控制其執行的行爲，包括他什麼時候開始，什麼時候得到結果。在併發編程中，切記：一切非原子性操作（最基本的計算機指令，要麼都成功，要麼都失敗）都可能在任何步驟被打斷。

舉一個荔枝（interesting）：世界被上帝詛咒了（上帝不會詛咒自己），每一次只能有一個人行動，但是讓哪一個人行動是上帝的權利。在這樣的世界裏，張三、李四快樂的生活着，一天他們在吃飯，菜在桌子上的。吃到菜需要伸手、夾菜、放到嘴裏三個步驟。他們感情很好，不會搶別人筷子上的東西。那麼吃到菜的三個動作就是原子性操作，不可打斷。但是注意一點，吃菜需要三步。好！現在他們開始吃飯了。上帝先讓張三可以行動，於是張三伸出了手準備夾那塊最大的紅燒肉，這個時候不知道爲什麼上帝生氣了（就像不知道女朋友爲什麼生氣一樣，可能覺得他太貪心了），上帝剝奪了張三可以活動的權利（手一直伸着），然後讓李四可以行動。李四先伸出手，再夾了一塊青菜，再放到嘴裏，再伸出手，夾了那塊最大的火燒肉，放到了嘴裏。這個時候上帝不生氣了（可能覺得李四也不咋地），重新讓張三可以行動（自然李四就不能行動了），這個時候張三就會一臉蒙逼：我要夾的那塊最大的紅燒肉呢？

說上面的例子是爲了說明一個問題，在計算機的世界，任何進程的非原子性操作都可能被馬上停止（也就是中斷當前任務去忙其他的任務），也就是CPU隨時都可能去忙別的任務，這一點思想在併發編程裏面至關重要。

4.共享資源

共享資源，也叫臨界資源。指的是那種會在多個任務間共享的一些信息、設備（也就是計算機系統裏面的資源），比如一些公共的變量，共享的系統設備：如打印機等，對共享資源的訪問和使用必須要小心翼翼，不然就會出現上一個紅燒肉例子的那種情況，需要的東西拿不到（或者不是你實現想象的該資源應該有的樣子，因爲他的狀態被別人修改了）。再打個比方，如果不對打印機的使用進行控制，同時打印兩份文檔打印出來的東西肯定不是你想要的，所以，對這些危險的東西的訪問必須遵循一些原則，也就是要守規矩。
在多線程中，最麻煩的一個部分就是對臨界資源的安全訪問。

5. 同步和異步，阻塞與非阻塞的概念

同步和異步都是用來形容一次方法的調用。

同步就是：我讓你去給我買只雪糕，在你沒有把雪糕買回來之前，我不會做任何事情，等你把雪糕買回來了，我就吃雪糕。
異步就是：我讓你去給我買只雪糕，給你說了之後我就繼續碼代碼了，等你把雪糕買回來了，我就吃雪糕。

阻塞與非阻塞是形容任務，也就是線程之間的影響程度。

例如：牆上一個表，大家都可以同時看錶上的時間，那麼我們看錶的這個動作就是非阻塞的，因爲我看錶不會影響你看錶。但是比如我們兩個只有一隻眼鏡，在我用這副眼鏡的時候你就不能用，那麼我用眼鏡的這個動作對你用眼鏡的動作就是阻塞的。而上面的眼鏡和表就是臨界資源，臨界資源的訪問控制要視情況而定（是否會改變資源的狀態）。

6.死鎖、活鎖、飢餓的概念

再舉個栗子：我們兩個吃飯，一碗飯，一雙筷子，現在有以下的場景：

場景一：我拿了一隻筷子，你拿了一隻筷子，我想要你的那隻筷子，但是我們都很餓，你肯定不會給，我也肯定不會給你，那麼我們都只有一隻筷子，無法吃飯，然後我兩就餓死了，所以叫死鎖。開個玩笑，實際上是因爲我們都沒有辦法繼續我們吃飯的動作，因爲我們都還差一點資源，也就是另一雙筷子。
場景二：我們很有禮貌，如果我拿不到另外的一隻筷子，就會把我的這隻筷子放下來，然後再重新去拿。這個時候就可能出現我拿一隻，你馬上拿了另一隻，我放下這一隻，你馬上放下另一隻的死循環。然後大家都吃不到飯，這種情況叫活鎖。
場景三：我的速度比較快，我先拿了一隻筷子，再哪裏另外一隻筷子，然後吃飯，放下筷子，再不停的重複，直到吃飽了。你肯定會問，爲什麼你沒有拿到筷子？這個是因爲一些其他的原因，比如線程優先級。高優先級可以有更多的CPU執行機會，所以看起來高優先級的線程執行會更快一下。但是你也是可以先拿到筷子（小概率事件在大量事件中必然發生），那麼我只有把筷子讓給你了哦，但是你吃的少一些，吃完了可能都是飢餓的，所以這種情況叫飢餓。極端的情況會把低優先級的線程任務直接餓死，一直拿不到CPU的執行權。

7.小結

在以上的內容中，簡單提了一下什麼是多任務以及多任務會出現的問題，當然作重要的還是上帝的那個例子，多線程的基本思想，有了這些可以開啓Java多線程之旅了。

[注]：詳細知識請參見：計算機操作系統。