【高併發】學好併發編程，關鍵是要理解這三個核心問題

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寫【高併發專題】有一段時間了，一些讀者朋友留言說，併發編程很難，學習了不少的知識，可是在實際工做中卻無從下手。對於一個線上產生的併發問題，又不知產生這個問題的緣由到底是什麼。對於併發編程，感受上彷佛是掌握了，可是真正用起來卻不是那麼回事！

其實，形成這種現象的本質緣由就是沒有透徹的理解併發編程的精髓，而學好併發編程的關鍵是須要弄懂三個核心問題：分工、同步和互斥。

分工

比較官方的解釋爲：分工就是將一個比較大的任務，拆分紅多個大小合適的任務，交給合適的線程去完成，強調的是性能。

若是你還不可以理解什麼是分工，這裏，咱們能夠作一個假設。假設你是一個XXX上市公司的CEO，你的工做是如何管理好你的公司。可是，就如何管理好公司而言，涉及到的任務就比較多了，咱們能夠將其看作一個很大的任務，這個很大的任務，細看的話能夠包括：人員招聘和管理、產品設計和開發、運營和推廣、公司稅務等等。那細化後這麼多的任務交給你一我的去作，想必你必定是崩潰的。即便你可以挺住，估計你一我的把這全部的任務完成，那黃花菜也就涼了！到時，估計你就會偷偷的躲在角落裏唱「涼涼」了。。。

因此，若是你真的想管理好你的公司，你就須要將這些任務分解，分工細化，將人員招聘和管理的任務交給人力資源部門去完成，將產品的設計交給設計部門去完成，將產品的開發交給開發部門去完成，將運營和推廣交給運營和市場部門去完成，將公司稅務交給財務部門去完成。此時，你的任務就是及時瞭解各個部門的工做狀況，統籌並協調各部門的工做，並思考如何規劃公司的將來。

其實，這裏你將管理公司的任務拆解、細化分工以後，你會發現，其實各部門之間的工做是並行執行的。好比：人力資源部門在管理員工的績效考覈時，同時產品設計和開發部門正在設計和開發公司的產品，與此同時，公司的運營正在和設計與開發溝通如何更好的完善公司的產品，而推广部門正在加大力度宣傳和推廣公司的產品。而財務部門正在統計和計算公司的各類財務報表等。一切都是那麼的有條不紊！

因此，安排合適的人去作合適的事情，在實際工做中是很是重要的。映射到併發編程領域也是一樣的道理。若是將全部的任務交給一個線程執行，就比如將公司的全部事情交給你一我的去作同樣。等到把事情作完了，黃花菜也涼了。因此，在併發編程中，咱們一樣須要將任務進行拆解，分工給合適的線程去完成。

在併發編程領域，還須要注意一個問題就是：分工給合適的線程去作。也就是說，應該主線程執行的任務不要交給子線程去作，不然，是解決不了問題的。這就比如一家公司的CEO將如何規劃公司的將來交給一個產品開發人員去作同樣，這不只不能規劃好公司的將來，甚至會與公司的價值觀背道而馳。

在JavaSDK中的：Executor、Fork/Join和Future都是實現分工的一種方式。

同步

在併發編程中的同步，主要指的是一個線程執行完任務後，如何通知其餘的線程繼續執行，強調的是性能。

將任務拆分，而且合理的分工給了每一個人，接下來就是如何同步每一個人的任務了。

假設小明是一名前端開發人員，他渲染頁面的數據須要等待小剛的接口完成，而小剛寫接口又須要等待小李的服務開發完成。也就是說，任務之間是存在依賴關係的，前面的任務完成後，才能進行後面的任務。

對於實際工做中，這種任務的同步，大多數靠的是人與人之間的溝通，小李的服務寫完了，告訴小剛，小剛則立刻進行接口開發，等小剛的接口開發完成後，又告訴了小明，小明立刻調用接口將返回的數據渲染在頁面上。

這種同步機制映射到併發編程領域，就是一個線程的任務執行完畢以後，通知其餘的後續線程執行任務。

對於這種線程之間的同步，咱們可使用下面的 if 僞代碼來表示。

if(前面的任務完成){
    執行當前任務
}else{
    繼續等待前面任務的執行
}

若是爲了更可以及時的判斷出前面的任務是否已經完成，咱們也可使用 while 僞代碼來表示。

while(前面的任務未完成){
    繼續等待前面任務的執行
}
執行當前任務

上述僞代碼表示的意義是相同的：當線程執行的條件不知足時，線程須要繼續等待，一旦條件知足，就須要喚醒等待的線程繼續執行。

在併發編程領域，一個典型的場景就是生產者-消費者模型。當隊列滿時，生產者線程須要等待，隊列不滿時，須要喚醒生產者線程；當隊列爲空時，消費者線程須要等待，隊列不空時，須要喚醒消費者。咱們可使用下面的僞代碼來表示生產者-消費者模型。

• 生產者

while(隊列已滿){
    生產者線程等待
}
喚醒生產者

• 消費者

while(隊列爲空){
    消費者等待
}
喚醒消費者

在Java的SDK中，提供了一些實現線程之間同步的工具類，好比說：CountDownLatch、 CyclicBarrier 等。

互斥

同一時刻，只容許一個線程訪問共享變量，強調的是線程執行任務的正確性。

在併發編程領域，分工和同步強調的是執行任務的性能，而線程之間的互斥則強調的是線程執行任務的正確性，也就是線程的安全問題。若是多個線程同時訪問同一個共享變量，則可能會發生意想不到的後果，而這種意想不到的後果主要是由線程的可見性、原子性和有序性問題產生的。而解決可見性、原子性和有序性問題的核心，就是互斥。

關於互斥，咱們能夠用現實中的一個場景來描述：多個岔路口的車輛須要匯入一條道路中，而這條道路一次只能容許經過一輛車，此時，車輛就須要排隊依次進入路口。

Java中提供的synchronized、Lock、ThreadLocal、final關鍵字等均可以解決互斥的問題。

例如，咱們以synchronized爲例來講明如何進行線程間的互斥，僞代碼以下所示。

//修飾方法
public synchronized void xxx(){
    
}
//修飾代碼塊
public void xxx(){
    synchronized(obj){
        
    }
}
//修飾代碼塊
public void xxx(){
    synchronized(XXX.class){
        
    }
}
//修飾靜態方法
public synchronized static void xxx(){
    
}

總結

併發編程旨在最大限度的利用計算機的資源，提升程序執行的性能，這須要線程之間的分工和同步來實現，在保證性能的同時，又須要保證線程的安全，這就又須要保證線程之間的互斥性。而併發編程的難點問題，每每又是由可見性、原子性和有序性問題致使的。因此，咱們在學習併發編程時，必定要先弄懂線程之間的分工、同步和互斥。

寫在最後

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最後，附上併發編程須要掌握的核心技能知識圖，祝你們在學習併發編程時，少走彎路。