併發編程之併發編程的挑戰

關於併發編程，其目的就是爲了讓程序運行得更快，可是，並非啓動更多的線程就能讓程序更大限度的併發執行。有哪些影響併發編程的因素呢？

1、文章導圖

2、挑戰

一、上下文切換

單核處理器也支持多線程執行代碼，CPU經過給每一個線程分配CPU時間片來實現這個機制，只是時間片的時間短，感受CPU能同時處理多個任務。時間片通常是幾十毫秒（ms）。
CPU經過時間片輪訓的方式處理任務，當前任務執行一個時間片會切換到下一個任務。注意，當CPU從一個任務切換到另外一個任務前，會保留上一個任務的狀態，以便再切回來是能夠繼續執行。因此任務從保持狀態到再加載的過程就是一次上下文切換。

• 多線程執行耗時測試

電腦配置：單處理器雙核8G內存

public class Demo1_1_1 {

    private static final long count = 1000000001;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 註釋一個進行執行
        concurrent();
//        serial();
    }

    /**
     * 併發執行
     */
    private static void concurrent() throws InterruptedException {
        long start = System.currentTimeMillis();
        Thread thread = new Thread(() -> {
            int a = 0;
            for (long i = 0; i < count; i++) {
                a += 5;
            }
        });
        thread.start();

        int b = 0;
        for (long i = 0; i < count; i++) {
            b --;
        }
        thread.join();
        System.out.println("concurrent time:" + (System.currentTimeMillis() - start) + "ms");

    }

    /**
     * 串行執行
     */
    private static void serial() {
        long start = System.currentTimeMillis();
        int a = 0;
        for (long i = 0; i < count; i++) {
            a += 5;
        }

        int b = 0;
        for (long i = 0; i < count; i++) {
            b --;
        }
        System.out.println("serial time:" + (System.currentTimeMillis() - start) + "ms");
    }

}

以上分別執行3次，取一個最大值和一個最小值

結果

循環次數	並行耗時/ms	串行耗時/ms
10萬	66 - 90	2 - 4
100萬	68 - 78	5 - 13
1000萬	75 - 81	16 - 19
1億	133 - 128	80 - 121
10億	600 - 615	900 - 1000

分析
當併發執行不超過億級別時，並行是比串行慢的，這就是由於線程有建立和上下文切換的開銷。按理說多個線程執行應該比單線程慢，實際並不是如此。

• 如何減小上下文切換

一、無所併發編程：多線程競爭鎖時，會引起上下文切換
二、CAS算法：Java中的Atomic包使用CAS算法更新數據，無需加鎖
三、使用最少線程：任務少，但線程多，致使不少線程都處於等待狀態
四、協程：在線程裏實現多線程的調度

二、死鎖

java中的鎖主要用來解決併發編程資源競爭的問題，若是編程不當，一旦產生死鎖，便會致使系統功能不可用。

例如，有兩個線程t1，t2；兩個資源A，B；當出現，t1持有A資源，t2持有B資源時，t1嘗試獲取B資源，t2嘗試獲取A資源，此時，便會出現死鎖的狀況。

• 避免死鎖的辦法

一、避免一個線程同時獲取多個鎖
二、避免一個線程在鎖內同時佔有多個資源，盡力保證每一個線程只佔用一個資源
三、嘗試使用定時鎖，如lock.tryLock(timeout)

三、資源限制的挑戰

• 什麼是資源限制

資源限制指在進行併發編程時，程序的執行速度受限於計算機硬件資源或軟件資源。
硬件資源包括：帶寬的上傳下載速度、硬盤讀寫速度和CPU的處理速度等
軟件資源包括：線程池大小、數據庫的鏈接數等

• 資源限制引起的問題

在併發編程中，代碼執行速度加快的原則是將代碼中的串行部分變成並行執行，但有可能因爲資源限制問題，致使程序仍按串行執行，此時程序不只不會變快，反而更慢，由於增長了上下文切換和資源調度的時間。

• 如何解決資源限制的問題

對於硬件資源限制：考慮使用集羣方式並行執行程序。
對於軟件資源限制：考慮使用資源池將資源複用，例如數據庫鏈接池等

• 資源限制狀況下進行併發編程

根據不一樣的資源限制調整程序的併發度。