多线程相关概念

Posted 2020-09-18 N!CE波

一、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。整个过程，不会阻碍调用者的工作。

二、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”。严格意义上来说，并行的多个任务是真实的同时执行，而对于并发来说，这个过程只是交替的，一会儿运行任务A一会儿执行任务B，系统会不停地在两者间切换。但对于外部观察者来说，即使多个任务之间是串行并发的，也会造成多任务间是并行执行的错觉。
实际上，如果系统内只有一个CPU，而使用多进程或者多线程任务，那么真实环境中这些任务不可能是真实并行的，毕竟一个CPU一次只能执行一条指令，这种情况下多进程或者多线程就是并发的，而不是并行的（操作系统会不停切换多个任务）。真实的并行也只可能出现在拥有多个CPU的系统中（比如多核CPU）。图1.5很好地诠释了这点。

三、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。
比如，在一个办公室里有一台打印机。打印机一次只能执行一个任务。如果小王和小明同时需要打印文件，很显然，如果小王先下发了打印任务，打印机就开始打印小王的文件。小明的任务就只能等待小王打印结束后才能打印。这里的打印机就是一个临界区的例子。
在并行程序中，临界区资源是保护的对象，如果意外出现打印机同时执行两个打印任务，那么最可能的结果就是打印出来的文件就会是损坏的文件。它既不是小王想要的，也不是小明想要的。

四、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。所有的线程都会尝试不断向前执行。

五、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。如果发现上述几种情况，那么相关线程可能就不再活跃，也就说它可能很难再继续往下执行了。
死锁应该是最糟糕的一种情况了（当然，其他几种情况也好不到哪里去），图1.6显示了一个死锁的发生。A、B、C、D四辆小车在这种情况下都无法继续行驶了。它们彼此之间相互占用了其他车辆的车道，如果大家都不愿意释放自己的车道，那么这个状态将永远维持下去，谁都不可能通过。死锁是一个很严重的，并且应该避免和时时小心的问题。

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。在自然界中，母鸟喂食雏鸟时，很容易出现这种情况。由于雏鸟很多，食物可能有限，雏鸟之间的食物竞争可能非常厉害，小雏鸟因为经常抢不到食物，有可能会被饿死。线程的饥饿也非常类似这种情况。另外一种可能是，某一个线程一直占着关键资源不放，导致其他需要这个资源的线程无法正常执行，这种情况也是饥饿的一种。与死锁相比，饥饿还是有可能在未来一段时间内解决的（比如高优先级的线程已经完成任务，不再疯狂的执行）。
活锁是一种非常有趣的情况。不知道大家是不是有遇到过这么一种场景，当你要坐电梯下楼，电梯到了，门开了，这时你正准备出去。但很不巧的是，门外一个人挡着你的去路，他想进来。于是，你很绅士地靠左走，避让对方。同时，对方也是非常绅士地，但他靠右走希望避让你。结果，你们俩就又撞上了。于是乎，你们都意识到了问题，希望尽快避让对方，你立即向右边走，同时，他立即向左边走。结果，又撞上了！不过介于人类的智能，我相信这个动作重复2、3次后，你应该可以顺利解决这个问题。因为这个时候，大家都会本能的对视，进行交流，保证这种情况不再发生。但如果这种情况发生在两个线程间可能就不会那么幸运了。如果线程的智力不够，且都秉承着“谦让”的原则，主动将资源释放给他人使用，那么就会出现资源不断在两个线程中跳动，而没有一个线程可以同时拿到所有资源而正常执行。这种情况就是活锁。