JAVA并发编程艺术 一（并发编程的挑战）

Posted 2020-09-18 不停地朝前走

　　从今天起开始java并发编程艺术的学习，每一章学习完以后再这里记录下内容的重点，做个笔记，加深印象。

      并发编程的目的是为了让程序运行的更快，但是，并不是启动更多的线程就能让程序最大限度地并发执行。在进行并发是，如果希望通过多现场执行任务让程序运行得更快，会面临非常多的挑战，比如上下文切换的问题，死锁的问题，以及受限于硬件和软件的资源限制问题，本章会介绍几种并发编程的挑战以及解决方案

 

　　1、上下问切换

　　即使是单核处理器也支持多线程执行代码，cpu通过给每个线程分配cpu时间片来实现这个机制。时间片是cpu分配给各个线程的时间，因为时间片非常短，所以cpu通过不停地切换线程执行，让我们感觉多个线程是同时间执行的，时间片一般是几十毫秒。

　　cpu通过时间片分配算法来循环执行任务，当前任务执行一个时间片后会切换到下一个任务。但是，在切换前会保存上一个任务的状态，以便下次切换回这个任务时，可以再加载这个任务状态。所以任务从保存到再加载的过程就是一次上下文切换。

　　这就像我们同时度两本书，当我们在读一本英文的技术书时，发现某个单词不认识，于是便打开中英文字典，但是中放下英文技术书之前，大脑必需先记住这本书读到了多少页的第几行，等查完字典之后，能够继续读这本书。这样的切换会影响读书效率，同样上下文切换也会影响多线程的执行速度。

　　如何减少上下文切换？

　　减少上下文切换的方法有无锁并发编程、CAS算法、使用最少线程和使用协程。

　　无锁并发编程。多线程竞争锁时，会引起上下文切换，所以多线程处理数据时，可以用一些办法来避免使用锁，如将数据的ID按照hash算法取模分段，不同的线程处理不同的数据。

　　CAS算法。java的Atomic包使用了CAS算法更新数据，而不需要加锁。

　　使用最少线程。避免创建不需要的线程，比如任务很少，但是创建了很多线程来处理，这样会造成大量线程都处于等待状态。

　　协程。在单线程里实现多任务调度，并在单线程里维持多个任务间的切换

　　2、死锁

　　这里只介绍避免死锁的几个常见的方法。

　　避免一个线程获同时取多个锁。

　　避免一个线程只锁内同时占用多个资源，尽量保证每个锁只占用一个资源。

　　尝试使用定时锁，使用lock.tryLock(timeout)来替代使用内部锁机制。

　　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。

　　3、资源限制的挑战

　　什么是资源限制？

　　资源限制是指在进行并发编程时，程序的执行速度受限制于计算机硬件资源或软件资源。硬件资源限制有宽带的上传／下载速度、硬盘读写速度和CPU处理速度。软件限制有数据库的连接数和socket等问题。

　　资源限制引发的问题

　　并发编程中，将代码执行速度加快的原则是将代码中串行执行的部分变成并发执行，但是如果将某段串行的代码并发执行，因为受限于资源，仍然中串行执行，这时候程序不仅不会加快执行，反而会更慢，因为增加了上下文切换和资源调度的时间。

　　如何解决资源限制的问题

　　对于硬件资源限制，可以考虑使用集群并行执行程序。既然单机的资源有限制，那么久让程序中多机上运行，不同的机器处理不同的数据。可以通过“数据ID%机器数”，计算得到一个机器编号，然后由对应编号的机器处理这笔数据。

　　对于软件限制，可以考虑使用资源池将资源复用。比如使用连接池将数据库和socket连接复用，或者在调用对方webservice接口获取数据时，只建立一个连接。

　　在资源限制情况下进行并发编程

　　根据不同的资源限制调整并发度，比如下载文件程序依赖于两个资源  宽带和硬盘读写速度。有数据库操作时，涉及数据连接数，如果SQL语句执行非常快，而线程的数量比数据库连接数大的多，则某些线程会被阻塞，等待数据库连接