透徹講解：并發編程的優缺點

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一直以來并發編程對于剛入行的小白來說總是覺得高深莫測，于是乎，就誕生了想寫點東西記錄下，以提升理解和堆并發編程的認知。為什么需要用的并發？凡事總有好壞兩面，之間的trade-off是什么，也就是說并發編程具有哪些缺點？以及在進行并發編程時應該了解和掌握的概念是什么？這篇文章主要以這三個問題來談一談。

1. 為什么要用到并發

一直以來，硬件的發展極其迅速，也有一個很著名的"摩爾定律"，可能會奇怪明明討論的是并發編程為什么會扯到了硬件的發展，這其中的關系應該是多核CPU的發展為并發編程提供的硬件基礎。摩爾定律并不是一種自然法則或者是物理定律，它只是基于認為觀測數據后，對未來的一種預測。按照所預測的速度，我們的計算能力會按照指數級別的速度增長，不久以后會擁有超強的計算能力，正是在暢想未來的時候，2004年，Intel宣布4GHz芯片的計劃推遲到2005年，然后在2004年秋季，Intel宣布徹底取消4GHz的計劃，也就是說摩爾定律的有效性超過了半個世紀戛然而止。但是，聰明的硬件工程師并沒有停止研發的腳步，他們為了進一步提升計算速度，而不是再追求單獨的計算單元，而是將多個計算單元整合到了一起，也就是形成了多核CPU。短短十幾年的時間，家用型CPU,比如Intel i7就可以達到4核心甚至8核心。而專業服務器則通常可以達到幾個獨立的CPU，每一個CPU甚至擁有多達8個以上的內核。因此，摩爾定律似乎在CPU核心擴展上繼續得到體驗。因此，多核的CPU的背景下，催生了并發編程的趨勢，通過并發編程的形式可以將多核CPU的計算能力發揮到極致，性能得到提升。

頂級計算機科學家Donald Ervin Knuth如此評價這種情況：在我看來，這種現象（并發）或多或少是由于硬件設計者無計可施了導致的，他們將摩爾定律的責任推給了軟件開發者。

另外，在特殊的業務場景下先天的就適合于并發編程。比如在圖像處理領域，一張1024X768像素的圖片，包含達到78萬6千多個像素。即時將所有的像素遍歷一邊都需要很長的時間，面對如此復雜的計算量就需要充分利用多核的計算的能力。又比如當我們在網上購物時，為了提升響應速度，需要拆分，減庫存，生成訂單等等這些操作，就可以進行拆分利用多線程的技術完成。面對復雜業務模型，并行程序會比串行程序更適應業務需求，而并發編程更能吻合這種業務拆分?。正是因為這些優點，使得多線程技術能夠得到重視，也是一名CS學習者應該掌握的：

• 充分利用多核CPU的計算能力；

• 方便進行業務拆分，提升應用性能

2. 并發編程有哪些缺點

多線程技術有這么多的好處，難道就沒有一點缺點么，就在任何場景下就一定適用么？很顯然不是。

2.1 頻繁的上下文切換

時間片是CPU分配給各個線程的時間，因為時間非常短，所以CPU不斷通過切換線程，讓我們覺得多個線程是同時執行的，時間片一般是幾十毫秒。而每次切換時，需要保存當前的狀態起來，以便能夠進行恢復先前狀態，而這個切換時非常損耗性能，過于頻繁反而無法發揮出多線程編程的優勢。通常減少上下文切換可以采用無鎖并發編程，CAS算法，使用最少的線程和使用協程。

• 無鎖并發編程：可以參照concurrentHashMap鎖分段的思想，不同的線程處理不同段的數據，這樣在多線程競爭的條件下，可以減少上下文切換的時間。

• CAS算法，利用Atomic下使用CAS算法來更新數據，使用了樂觀鎖，可以有效的減少一部分不必要的鎖競爭帶來的上下文切換

• 使用最少線程：避免創建不需要的線程，比如任務很少，但是創建了很多的線程，這樣會造成大量的線程都處于等待狀態

• 協程：在單線程里實現多任務的調度，并在單線程里維持多個任務間的切換

由于上下文切換也是個相對比較耗時的操作，所以在"java并發編程的藝術"一書中有過一個實驗，并發累加未必會比串行累加速度要快。 可以使用Lmbench4測量上下文切換的時長?vmstat測量上下文切換次數

2.2 線程安全

多線程編程中最難以把握的就是臨界區線程安全問題，稍微不注意就會出現死鎖的情況，一旦產生死鎖就會造成系統功能不可用。

public?class?DeadLockDemo?{????private?static?String?resource_a?=?"A";????private?static?String?resource_b?=?"B";????public?static?void?main(String[]?args)?{
????????deadLock();
????}????public?static?void?deadLock()?{
????????Thread?threadA?=?new?Thread(new?Runnable()?{????????????@Override
????????????public?void?run()?{????????????????synchronized?(resource_a)?{
????????????????????System.out.println("get?resource?a");????????????????????try?{
????????????????????????Thread.sleep(3000);????????????????????????synchronized?(resource_b)?{
????????????????????????????System.out.println("get?resource?b");
????????????????????????}
????????????????????}?catch?(InterruptedException?e)?{
????????????????????????e.printStackTrace();
????????????????????}
????????????????}
????????????}
????????});
????????Thread?threadB?=?new?Thread(new?Runnable()?{????????????@Override
????????????public?void?run()?{????????????????synchronized?(resource_b)?{
????????????????????System.out.println("get?resource?b");????????????????????synchronized?(resource_a)?{
????????????????????????System.out.println("get?resource?a");
????????????????????}
????????????????}
????????????}
????????});
????????threadA.start();
????????threadB.start();

????}
}

在上面的這個demo中，開啟了兩個線程threadA, threadB,其中threadA占用了resource_a, 并等待被threadB釋放的resource _b。threadB占用了resource _b正在等待被threadA釋放的resource _a。因此threadA,threadB出現線程安全的問題，形成死鎖。同樣可以通過jps,jstack證明這種推論：

"Thread-1":
??waiting?to?lock?monitor?0x000000000b695360?(object?0x00000007d5ff53a8,?a?java.lang.String),
??which?is?held?by?"Thread-0""Thread-0":
??waiting?to?lock?monitor?0x000000000b697c10?(object?0x00000007d5ff53d8,?a?java.lang.String),
??which?is?held?by?"Thread-1"Java?stack?information?for?the?threads?listed?above:
==================================================="Thread-1":????????at?learn.DeadLockDemo$2.run(DeadLockDemo.java:34)
????????-?waiting?to?lock?<0x00000007d5ff53a8(a?java.lang.String)
????????-?locked?<0x00000007d5ff53d8(a?java.lang.String)????????at?java.lang.Thread.run(Thread.java:722)"Thread-0":????????at?learn.DeadLockDemo$1.run(DeadLockDemo.java:20)
????????-?waiting?to?lock?<0x00000007d5ff53d8(a?java.lang.String)
????????-?locked?<0x00000007d5ff53a8(a?java.lang.String)????????at?java.lang.Thread.run(Thread.java:722)Found?1?deadlock.

如上所述，完全可以看出當前死鎖的情況。

那么，通常可以用如下方式避免死鎖的情況：

1. 避免一個線程同時獲得多個鎖；

2. 避免一個線程在鎖內部占有多個資源，盡量保證每個鎖只占用一個資源；

3. 嘗試使用定時鎖，使用lock.tryLock(timeOut)，當超時等待時當前線程不會阻塞；

4. 對于數據庫鎖，加鎖和解鎖必須在一個數據庫連接里，否則會出現解鎖失敗的情況

所以，如何正確的使用多線程編程技術有很大的學問，比如如何保證線程安全，如何正確理解由于JMM內存模型在原子性，有序性，可見性帶來的問題，比如數據臟讀，DCL等這些問題（在后續篇幅會講述）。而在學習多線程編程技術的過程中也會讓你收獲頗豐。

3. 應該了解的概念

3.1 同步VS異步

同步和異步通常用來形容一次方法調用。同步方法調用一開始，調用者必須等待被調用的方法結束后，調用者后面的代碼才能執行。而異步調用，指的是，調用者不用管被調用方法是否完成，都會繼續執行后面的代碼，當被調用的方法完成后會通知調用者。比如，在超時購物，如果一件物品沒了，你得等倉庫人員跟你調貨，直到倉庫人員跟你把貨物送過來，你才能繼續去收銀臺付款，這就類似同步調用。而異步調用了，就像網購，你在網上付款下單后，什么事就不用管了，該干嘛就干嘛去了，當貨物到達后你收到通知去取就好。

3.2 并發與并行

并發和并行是十分容易混淆的概念。并發指的是多個任務交替進行，而并行則是指真正意義上的“同時進行”。實際上，如果系統內只有一個CPU，而使用多線程時，那么真實系統環境下不能并行，只能通過切換時間片的方式交替進行，而成為并發執行任務。真正的并行也只能出現在擁有多個CPU的系統中。

3.3 阻塞和非阻塞

阻塞和非阻塞通常用來形容多線程間的相互影響，比如一個線程占有了臨界區資源，那么其他線程需要這個資源就必須進行等待該資源的釋放，會導致等待的線程掛起，這種情況就是阻塞，而非阻塞就恰好相反，它強調沒有一個線程可以阻塞其他線程，所有的線程都會嘗試地往前運行。

3.4 臨界區

臨界區用來表示一種公共資源或者說是共享數據，可以被多個線程使用。但是每個線程使用時，一旦臨界區資源被一個線程占有，那么其他線程必須等待。