【1】并发编程的优缺点

2020-04-08整理

为什么要用到并发

一直以来,硬件的发展极其迅速,也有一个很著名的摩尔定律
因此,多核的CPU的背景下,催生了并发编程的趋势,通过并发编程的形式可以将多核CPU的计算能力发挥到极致,性能得到提升。
另外,在特殊的业务场景下先天的就适合于并发编程。
比如在图像处理领域,一张1024X768像素的图片,包含达到78万6千多个像素。即时将所有的像素遍历一边都需要很长的时间,面对如此复杂的计算量就需要充分利用多核的计算的能力。
又比如当我们在网上购物时,为了提升响应速度,需要拆分,减库存,生成订单等等这些操作,就可以进行拆分利用多线程的技术完成。
面对复杂业务模型,并行程序会比串行程序更适应业务需求,而并发编程更能吻合这种业务拆分 。

  • 充分利用多核CPU的计算能力;
  • 方便进行业务拆分,提升应用性能

并发缺点:频繁的上下文切换

多线程技术有这么多的好处,难道就没有一点缺点么,就在任何场景下就一定适用么?很显然不是。

时间片是CPU分配给各个线程的时间,因为时间非常短,所以CPU不断通过切换线程,让我们觉得多个线程是同时执行的,时间片一般是几十毫秒。
而每次切换时,需要保存当前的状态起来,以便能够进行恢复先前状态,而这个切换时非常损耗性能,过于频繁反而无法发挥出多线程编程的优势。
通常减少上下文切换可以采用无锁并发编程,CAS算法,使用最少的线程和使用协程。

  • 无锁并发编程可以参照concurrentHashMap锁分段的思想,不同的线程处理不同段的数据,这样在多线程竞争的条件下,可以减少上下文切换的时间。
  • CAS算法利用Atomic下使用CAS算法来更新数据,使用了乐观锁,可以有效的减少一部分不必要的锁竞争带来的上下文切换
  • 使用最少线程避免创建不需要的线程,比如任务很少,但是创建了很多的线程,这样会造成大量的线程都处于等待状态
  • 协程在单线程里实现多任务的调度,并在单线程里维持多个任务间的切换

由于上下文切换也是个相对比较耗时的操作,所以在”java并发编程的艺术”一书中有过一个实验,并发累加未必会比串行累加速度要快。
可以使用Lmbench3测量上下文切换的时长 vmstat测量上下文切换次数

线程安全-死锁

多线程编程中最难以把握的就是临界区线程安全问题,稍微不注意就会出现死锁的情况,一旦产生死锁就会造成系统功能不可用。

  • 代码示例
    在这里插入图片描述
    在上面的这个demo中,开启了两个线程threadA, threadB,其中threadA占用了resource_a, 并等待被threadB释放的resource_b。
    threadB占用了resource_b正在等待被threadA释放的resource_a。因此threadA,threadB出现线程安全的问题,形成死锁。

  • 避免死锁的情况

    1
    2
    3
    4
    1. 避免一个线程同时获得多个锁;
    2. 避免一个线程在锁内部占有多个资源,尽量保证每个锁只占用一个资源;
    3. 尝试使用定时锁,使用lock.tryLock(timeOut),当超时等待时当前线程不会阻塞;
    4. 对于数据库锁,加锁和解锁必须在一个数据库连接里,否则会出现解锁失败的情况

    所以,如何正确的使用多线程编程技术有很大的学问,比如如何保证线程安全,如何正确理解由于JMM内存模型在原子性,有序性,可见性带来的问题,比如数据脏读,DCL(双重检验锁)等这些问题(在后续篇幅会讲述)。而在学习多线程编程技术的过程中也会让你收获颇丰。

应该了解的概念

同步&异步

同步和异步通常用来形容一次方法调用。

  • 同步方法调用一开始,调用者必须等待被调用的方法结束后,调用者后面的代码才能执行。
  • 异步用,指的是,调用者不用管被调用方法是否完成,都会继续执行后面的代码,当被调用的方法完成后会通知调用者。
    例如
  • 同步调用在超时购物,如果一件物品没了,你得等仓库人员跟你调货,直到仓库人员跟你把货物送过来,你才能继续去收银台付款
  • 异步调用就像网购,你在网上付款下单后,什么事就不用管了,该干嘛就干嘛去了,当货物到达后你收到通知去取就好。

并发&并行

并发和并行是十分容易混淆的概念。

  • 并发指的是多个任务交替进行
  • 并行xíng是指真正意义上的“同时进行”。

实际上,如果系统内只有一个CPU,而使用多线程时,那么真实系统环境下不能并行,只能通过切换时间片的方式交替进行,而成为并发执行任务。
真正的并行也只能出现在拥有多个CPU的系统中。

阻塞&非阻塞

阻塞和非阻塞通常用来形容多线程间的相互影响

  • 阻塞一个线程占有了临界区资源,那么其他线程需要这个资源就必须进行等待该资源的释放,会导致等待的线程挂起
  • 非阻塞它强调没有一个线程可以阻塞其他线程,所有的线程都会尝试地往前运行。

临界区

表示一种公共资源或者说是共享数据,可以被多个线程使用。
但是每个线程使用时,一旦临界区资源被一个线程占有,那么其他线程必须等待。