高并发编程学习——基本概念

Posted 2020-11-13 piaoluo-fengye

一、几个重要的概念

1、同步（Synchronous）和异步（Asynchronous）

　　同步和异步通常用来形容一次方法调用。

　　同步方法调用一旦开始，调用者必须等到方法调用返回后，才能继续后续的行为。

　　异步方法调用更像一个消息传递，一旦开始，方法调用就会立即返回，调用者就可以继续后续的操作。而异步方法通常会在另外一个线程中“真实”地执行。

 

 

　　　　同步和异步方法调用

2、并发（Concurrency）和并行（Parallelism）

　　并发和并行是两个非常容易被混淆的概念。它们都可以表示两个或者多个任务一起执行，但是偏重点有些不同。并发偏重于多个任务交替执行，而多个任务之间有可能还是串行的。

　　而并行是真正意义上的“同时执行”。

 

3、临界区

　　临界区用来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。但是每一次，只能有一个线程使用它，一旦临界区资源被占用，其他线程要想使用这个资源，就必须等待。

4、阻塞（Blocking）和非阻塞（Non-Blocking）

　　阻塞和非阻塞通常用来形容多线程间的相互影响。比如一个线程占用了临界区资源，那么其他所有需要这个资源的线程就必须在这个临界区中进行等待。等待会导致线程挂起，这种情况就是阻塞。此时，如果占用资源的线程一直不愿意释放资源，那么其他所有阻塞在这个临界区上的线程都不能工作。非阻塞的意思与之相反，它强调没有一个线程可以妨碍其他线程执行。

5、死锁（Deadlock）、饥饿（Starvation）和活锁（Livelock）

　　死锁、饥饿和活锁都属于多线程的活跃性问题。

　　简单来说，死锁是在多个线程中，各个线程彼此占用了对方的资源，处于等待对方释放资源的对峙状态。

　　饥饿是指某一个或者多个线程因为种种原因无法获得所需要的资源，导致一直无法执行。比如它的线程优先级可能太低，而高优先级的线程不断抢占它需要的资源，导致低优先级线程无法工作。

　　活锁是一种非常有趣的情况。举个栗子，A要出门，B要进门，门太小只能容一个人通过；于是，A很绅士地靠左走，避让对方。同时，B也是非常绅士地，但他靠右走希望避让A。结果，你们俩就又撞上了......

 

二、并发的级别

1、阻塞（Blocking）

　　一个线程是阻塞的，那么在其他线程释放资源之前，当前线程无法继续执行。当我们使用synchronized关键字，或者重入锁时（我们将在第2、3章介绍这两种技术），我们得到的就是阻塞的线程。

 

2、无饥饿（Starvation-Free）

　　如果线程之间是有优先级的，那么线程调度的时候总是会倾向于满足高优先级的线程。也就说是，对于同一个资源的分配，是不公平的！如图所示，显示了非公平与公平两种情况（五角星表示高优先级线程）。对于非公平的锁来说，系统允许高优先级的线程插队。这样有可能导致低优先级线程产生饥饿。但如果锁是公平的，满足先来后到，那么饥饿就不会产生，不管新来的线程优先级多高，要想获得资源，就必须乖乖排队。那么所有的线程都有机会执行。

 

 　　　　　　　　　　　　公平与非公平锁

3、无障碍（Obstruction-Free）

　　无障碍是一种最弱的非阻塞调度。两个线程如果是无障碍的执行，那么他们不会因为临界区的问题导致一方被挂起。换言之，大家都可以大摇大摆地进入临界区了。那么如果大家一起修改共享数据，把数据改坏了可怎么办呢？对于无障碍的线程来说，一旦检测到这种情况，它就会立即对自己所做的修改进行回滚，确保数据安全。

　　无障碍的多线程程序并不一定能顺畅的运行。因为当临界区中存在严重的冲突时，所有的线程可能都会不断地回滚自己的操作，而没有一个线程可以走出临界区。这种情况会影响系统的正常执行。

一种可行的无障碍实现可以依赖一个“一致性标记”来实现。线程在操作之前，先读取并保存这个标记，在操作完成后，再次读取，检查这个标记是否被更改过，如果两者是一致的，则说明资源访问没有冲突。如果不一致，则说明资源可能在操作过程中与其他写线程冲突，需要重试操作。而任何对资源有修改操作的线程，在修改数据前，都需要更新这个一致性标记，表示数据不再安全。

4、无锁（Lock-Free）

无锁的并行都是无障碍的。在无锁的情况下，所有的线程都能尝试对临界区进行访问，但不同的是，无锁的并发保证必然有一个线程能够在有限步内完成操作离开临界区。

5、无等待（Wait-Free）

　　无锁只要求有一个线程可以在有限步内完成操作，而无等待则在无锁的基础上更进一步进行扩展。它要求所有的线程都必须在有限步内完成，这样就不会引起饥饿问题。如果限制这个步骤上限，还可以进一步分解为有界无等待和线程数无关的无等待几种，它们之间的区别只是对循环次数的限制不同。

一种典型的无等待结构就是RCU（Read-Copy-Update）。它的基本思想是，对数据的读可以不加控制。因此，所有的读线程都是无等待的，它们既不会被锁定等待也不会引起任何冲突。但在写数据的时候，先取得原始数据的副本，接着只修改副本数据（这就是为什么读可以不加控制），修改完成后，在合适的时机回写数据。