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一直以來併發編程對於剛入行的小白來說總是覺得高深莫測，於是乎，就誕生了想寫點東西記錄下，以提升理解和堆併發編程的認知。爲什麼需要用的併發？凡事總有好壞兩面，之間的trade-off是什麼，也就是說併發編程具有哪些缺點？以及在進行併發編程時應該瞭解和掌握的概念是什麼？這篇文章主要以這三個問題來談一談。
1. 爲什麼要用到併發
一直以來，硬件的發展極其迅速，也有一個很著名的"摩爾定律"，可能會奇怪明明討論的是併發編程爲什麼會扯到了硬件的發展，這其中的關係應該是多核CPU的發展爲併發編程提供的硬件基礎。摩爾定律並不是一種自然法則或者是物理定律，它只是基於認爲觀測數據後，對未來的一種預測。按照所預測的速度，我們的計算能力會按照指數級別的速度增長，不久以後會擁有超強的計算能力，正是在暢想未來的時候，2004年，Intel宣佈4GHz芯片的計劃推遲到2005年，然後在2004年秋季，Intel宣佈徹底取消4GHz的計劃，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，聰明的硬件工程師並沒有停止研發的腳步，他們爲了進一步提升計算速度，而不是再追求單獨的計算單元，而是將多個計算單元整合到了一起，也就是形成了多核CPU。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。而專業服務器則通常可以達到幾個獨立的CPU，每一個CPU甚至擁有多達8個以上的內核。因此，摩爾定律似乎在CPU核心擴展上繼續得到體驗。因此，多核的CPU的背景下，催生了併發編程的趨勢，通過併發編程的形式可以將多核CPU的計算能力發揮到極致，性能得到提升。
頂級計算機科學家Donald Ervin Knuth如此評價這種情況：在我看來，這種現象（併發）或多或少是由於硬件設計者無計可施了導致的，他們將摩爾定律的責任推給了軟件開發者。
另外，在特殊的業務場景下先天的就適合於併發編程。比如在圖像處理領域，一張1024X768像素的圖片，包含達到78萬6千多個像素。即時將所有的像素遍歷一邊都需要很長的時間，面對如此複雜的計算量就需要充分利用多核的計算的能力。又比如當我們在網上購物時，爲了提升響應速度，需要拆分，減庫存，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完成。面對複雜業務模型，並行程序會比串行程序更適應業務需求，而併發編程更能吻合這種業務拆分 。正是因爲這些優點，使得多線程技術能夠得到重視，也是一名CS學習者應該掌握的：
- 充分利用多核CPU的計算能力；
- 方便進行業務拆分，提升應用性能；
2. 併發編程有哪些缺點
多線程技術有這麼多的好處，難道就沒有一點缺點麼，就在任何場景下就一定適用麼？很顯然不是。
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，因爲時間非常短，所以CPU不斷通過切換線程，讓我們覺得多個線程是同時執行的，時間片一般是幾十毫秒。而每次切換時，需要保存當前的狀態起來，以便能夠進行恢復先前狀態，而這個切換時非常損耗性能，過於頻繁反而無法發揮出多線程編程的優勢。通常減少上下文切換可以採用無鎖併發編程，CAS算法，使用最少的線程和使用協程。
- 無鎖併發編程：可以參照concurrentHashMap鎖分段的思想，不同的線程處理不同段的數據，這樣在多線程競爭的條件下，可以減少上下文切換的時間；
- CAS算法，利用Atomic下使用CAS算法來更新數據，使用了樂觀鎖，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：避免創建不需要的線程，比如任務很少，但是創建了很多的線程，這樣會造成大量的線程都處於等待狀態；
- 協程：在單線程裏實現多任務的調度，並在單線程裏維持多個任務間的切換
由於上下文切換也是個相對比較耗時的操作，所以在"java併發編程的藝術"一書中有過一個實驗，併發累加未必會比串行累加速度要快。 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。
2.2 線程安全
多線程編程中最難以把握的就是臨界區線程安全問題，稍微不注意就會出現死鎖的情況，一旦產生死鎖就會造成系統功能不可用。
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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，開啓了兩個線程threadA, threadB,其中threadA佔用了resource_a, 並等待被threadB釋放的resource _b。threadB佔用了resource _b正在等待被threadA釋放的resource _a。因此threadA,threadB出現線程安全的問題，形成死鎖。同樣可以通過jps,jstack證明這種推論：
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"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，完全可以看出當前死鎖的情況。那麼，通常可以用如下方式避免死鎖的情況：
1. 避免一個線程同時獲得多個鎖；
2. 避免一個線程在鎖內部佔有多個資源，儘量保證每個鎖只佔用一個資源；
3. 嘗試使用定時鎖，使用lock.tryLock(timeOut)，當超時等待時當前線程不會阻塞；
4. 對於數據庫鎖，加鎖和解鎖必須在一個數據庫連接裏，否則會出現解鎖失敗的情況
所以，如何正確的使用多線程編程技術有很大的學問，比如如何保證線程安全，如何正確理解由於JMM內存模型在原子性，有序性，可見性帶來的問題，比如數據髒讀，DCL等這些問題（在後續篇幅會講述）。而在學習多線程編程技術的過程中也會讓你收穫頗豐。
3. 應該瞭解的概念
3.1 同步VS異步
同步和異步通常用來形容一次方法調用。同步方法調用一開始，調用者必須等待被調用的方法結束後，調用者後面的代碼才能執行。而異步調用，指的是，調用者不用管被調用方法是否完成，都會繼續執行後面的代碼，當被調用的方法完成後會通知調用者。比如，在超時購物，如果一件物品沒了，你得等倉庫人員跟你調貨，直到倉庫人員跟你把貨物送過來，你才能繼續去收銀臺付款，這就類似同步調用。而異步調用了，就像網購，你在網上付款下單後，什麼事就不用管了，該幹嘛就幹嘛去了，當貨物到達後你收到通知去取就好。
3.2 併發與並行
併發和並行是十分容易混淆的概念。併發指的是多個任務交替進行，而並行則是指真正意義上的“同時進行”。實際上，如果系統內只有一個CPU，而使用多線程時，那麼真實系統環境下不能並行，只能通過切換時間片的方式交替進行，而成爲併發執行任務。真正的並行也只能出現在擁有多個CPU的系統中。
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，比如一個線程佔有了臨界區資源，那麼其他線程需要這個資源就必須進行等待該資源的釋放，會導致等待的線程掛起，這種情況就是阻塞，而非阻塞就恰好相反，它強調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。
3.4 臨界區
臨界區用來表示一種公共資源或者說是共享數據，可以被多個線程使用。但是每個線程使用時，一旦臨界區資源被一個線程佔有，那麼其他線程必須等待。