詳解併發編程的優缺點

時間 2019-12-02

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一直以來併發編程對於剛入行的小白來講老是以爲高深莫測，因而乎，就誕生了想寫點東西記錄下，以提高理解和堆併發編程的認知。爲何須要用的併發？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備哪些缺點？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。java

一.爲何要用到併發

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何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。摩爾定律並非一種天然法則或者是物理定律，它只是基於認爲觀測數據後，對將來的一種預測。按照所預測的速度，咱們的計算能力會按照指數級別的速度增加，不久之後會擁有超強的計算能力，正是在暢想將來的時候，2004年，Intel宣佈4GHz芯片的計劃推遲到2005年，而後在2004年秋季，Intel宣佈完全取消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。可是，聰明的硬件工程師並無中止研發的腳步，他們爲了進一步提高計算速度，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塊兒，也就是造成了多核CPU。短短十幾年的時間，家用型CPU,好比Intel i7就能夠達到4核心甚至8核心。而專業服務器則一般能夠達到幾個獨立的CPU，每個CPU甚至擁有多達8個以上的內核。所以，摩爾定律彷佛在CPU核心擴展上繼續獲得體驗。所以，多核的CPU的背景下，催生了併發編程的趨勢，經過併發編程的形式能夠將多核CPU的計算能力發揮到極致，性能獲得提高。程序員

頂級計算機科學家Donald Ervin Knuth如此評價這種狀況：在我看來，這種現象（併發）或多或少是因爲硬件設計者機關用盡了致使的，他們將摩爾定律的責任推給了軟件開發者。面試

另外，在特殊的業務場景下先天的就適合於併發編程。好比在圖像處理領域，一張1024X768像素的圖片，包含達到78萬6千多個像素。即時將全部的像素遍歷一邊都須要很長的時間，面對如此複雜的計算量就須要充分利用多核的計算的能力。又好比當咱們在網上購物時，爲了提高響應速度，須要拆分，減庫存，生成訂單等等這些操做，就能夠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 。正是由於這些優勢，使得多線程技術可以獲得重視，也是一名CS學習者應該掌握的：算法

充分利用多核CPU的計算能力；
方便進行業務拆分，提高應用性能

二. 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，就在任何場景下就必定適用麼？很顯然不是。sql

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，由於時間很是短，因此CPU不斷經過切換線程，讓咱們以爲多個線程是同時執行的，時間片通常是幾十毫秒。而每次切換時，須要保存當前的狀態起來，以便可以進行恢復先前狀態，而這個切換時很是損耗性能，過於頻繁反而沒法發揮出多線程編程的優點。一般減小上下文切換能夠採用無鎖併發編程，CAS算法，使用最少的線程和使用協程。數據庫

無鎖併發編程：能夠參照concurrentHashMap鎖分段的思想，不一樣的線程處理不一樣段的數據，這樣在多線程競爭的條件下，能夠減小上下文切換的時間。編程
CAS算法：利用Atomic下使用CAS算法來更新數據，使用了樂觀鎖，能夠有效的減小一部分沒必要要的鎖競爭帶來的上下文切換安全
使用最少線程：避免建立不須要的線程，好比任務不多，可是建立了不少的線程，這樣會形成大量的線程都處於等待狀態bash
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服務器

因爲上下文切換也是個相對比較耗時的操做，因此在"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狀況，一旦產生死鎖就會形成系統功能不可用。

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();
	}
}
複製代碼

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。所以threadA,threadB出現線程安全的問題，造成死鎖。一樣能夠經過jps,jstack證實這種推論：

"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.
複製代碼

如上所述，徹底能夠看出當前死鎖的狀況。

那麼，一般能夠用以下方式避免死鎖的狀況：

避免一個線程同時得到多個鎖；
避免一個線程在鎖內部佔有多個資源，儘可能保證每一個鎖只佔用一個資源；
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；
對於數據庫鎖，加鎖和解鎖必須在一個數據庫鏈接裏，不然會出現解鎖失敗的狀況

因此，如何正確的使用多線程編程技術有很大的學問，好比如何保證線程安全，如何正確理解因爲JMM內存模型在原子性，有序性，可見性帶來的問題，好比數據髒讀，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當中也會讓你收穫頗豐。

三. 應該瞭解的概念

3.1 同步VS異步

同步和異步一般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。好比，在超時購物，若是一件物品沒了，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，這就相似同步調用。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，該幹嗎就幹嗎去了，當貨物到達後你收到通知去取就好。