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Java多線程學習（七）并發(fā)編程中一些問題

dingding199389 / 3007人閱讀

摘要：相比與其他操作系統(tǒng)包括其他類系統(tǒng)有很多的優(yōu)點，其中有一項就是，其上下文切換和模式切換的時間消耗非常少。因為多線程競爭鎖時會引起上下文切換。減少線程的使用。很多編程語言中都有協(xié)程。所以如何避免死鎖的產(chǎn)生，在我們使用并發(fā)編程時至關(guān)重要。

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Java多線程學習（五）線程間通信知識點補充

Java多線程學習（六）Lock鎖的使用

Java多線程學習（七）并發(fā)編程中一些問題
本節(jié)思維導圖：

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多線程就一定好嗎？快嗎？？

并發(fā)編程的目的就是為了能提高程序的執(zhí)行效率提高程序運行速度，但是并發(fā)編程并不總是能提高程序運行速度的，而且并發(fā)編程可能會遇到很多問題，比如：內(nèi)存泄漏、上下文切換、死鎖還有受限于硬件和軟件的資源閑置問題。

多線程就是幾乎同時執(zhí)行多個線程（一個處理器在某一個時間點上永遠都只能是一個線程！即使這個處理器是多核的，除非有多個處理器才能實現(xiàn)多個線程同時運行）。CPU通過給每個線程分配CPU時間片來實現(xiàn)偽同時運行，因為CPU時間片一般很短很短，所以給人一種同時運行的感覺。

上下文切換

當前任務在執(zhí)行完CPU時間片切換到另一個任務之前會先保存自己的狀態(tài)，以便下次再切換會這個任務時，可以再加載這個任務的狀態(tài)。任務從保存到再加載的過程就是一次上下文切換。

上下文切換通常是計算密集型的。也就是說，它需要相當可觀的處理器時間，在每秒幾十上百次的切換中，每次切換都需要納秒量級的時間。所以，上下文切換對系統(tǒng)來說意味著消耗大量的 CPU 時間，事實上，可能是操作系統(tǒng)中時間消耗最大的操作。
Linux相比與其他操作系統(tǒng)（包括其他類 Unix 系統(tǒng)）有很多的優(yōu)點，其中有一項就是，其上下文切換和模式切換的時間消耗非常少。

那么我們現(xiàn)在可能會考慮 ：如何減少上下文切換的次數(shù)呢？？？

減少上下文切換


這是《Java并發(fā)編程的藝術(shù)》的作者方騰飛大佬嗎？？？？

上下文切換又分為2種：讓步式上下文切換和搶占式上下文切換。前者是指執(zhí)行線程主動釋放CPU，與鎖競爭嚴重程度成正比，可通過減少鎖競爭和使用CAS算法來避免；后者是指線程因分配的時間片用盡而被迫放棄CPU或者被其他優(yōu)先級更高的線程所搶占，一般由于線程數(shù)大于CPU可用核心數(shù)引起，可通過適當減少線程數(shù)和使用協(xié)程來避免。

總結(jié)一下：

減少鎖的使用。因為多線程競爭鎖時會引起上下文切換。

使用CAS算法。這種算法也是為了減少鎖的使用。CAS算法是一種無鎖算法。

減少線程的使用。人物很少的時候創(chuàng)建大量線程會導致大量線程都處于等待狀態(tài)。

使用協(xié)程。

我們上面提到了兩個名詞：“CAS算法” 和 “協(xié)程”?？赡苡行┤瞬皇呛芰私膺@倆東西，所以這里簡單說一下。。。

CAS算法

CAS（比較與交換，Compare and swap） 是一種有名的無鎖算法。無鎖編程，即不使用鎖的情況下實現(xiàn)多線程之間的變量同步，也就是在沒有線程被阻塞的情況下實現(xiàn)變量的同步，所以也叫非阻塞同步（Non-blocking Synchronization）。實現(xiàn)非阻塞同步的方案稱為“無鎖編程算法”（ Non-blocking algorithm）。 
相對應的，獨占鎖是一種悲觀鎖，synchronized就是一種獨占鎖，它假設最壞的情況，并且只有在確保其它線程不會造成干擾的情況下執(zhí)行，會導致其它所有需要鎖的線程掛起，等待持有鎖的線程釋放鎖。

協(xié)程

協(xié)程也可以說是微線程或者說是輕量級的線程，它占用的內(nèi)存更少并且更靈活。很多編程語言中都有協(xié)程。Lua, Ruby 等等都有自己的協(xié)程實現(xiàn)。Go完全就是因為協(xié)程而發(fā)展壯大的。維基百科上面并沒有Java實現(xiàn)協(xié)程的方式，但是不代表Java不能實現(xiàn)協(xié)程。比如可以使用Java實現(xiàn)的開源協(xié)程庫：Quasar。Quasar官網(wǎng)：http://www.paralleluniverse.co/quasar/，。這個庫實現(xiàn)了一種可以和Go語言中的Goroutine相對標的編程概念：Fiber。Fiber是一種真正的協(xié)程。

最后Mark兩篇關(guān)于協(xié)程的文章：

協(xié)程，高并發(fā)IO終極殺器(3)：https://zhuanlan.zhihu.com/p/27590299

次時代Java編程（一）：Java里的協(xié)程：http://geek.csdn.net/news/detail/71824

避免死鎖

在操作系統(tǒng)中，死鎖是指兩個或兩個以上的進程在執(zhí)行過程中，由于競爭資源或者由于彼此通信而造成的一種阻塞的現(xiàn)象，若無外力作用，它們都將無法推進下去。此時稱系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)或系統(tǒng)產(chǎn)生了死鎖，這些永遠在互相等待的進程稱為死鎖進程。

在線程中，如果兩個線程同時等待對方釋放鎖也會產(chǎn)生死鎖。

鎖是一個好東西，但是使用不當就會造成死鎖。一旦死鎖產(chǎn)生程序就無法繼續(xù)運行下去。所以如何避免死鎖的產(chǎn)生，在我們使用并發(fā)編程時至關(guān)重要。

根據(jù)《Java并發(fā)編程的藝術(shù)》有下面四種避免死鎖的常見方法：

避免一個線程同時獲得多個鎖

避免一個線程在鎖內(nèi)同時占用多個資源，盡量保證每個鎖只占用一個資源

嘗試使用定時鎖，使用lock.tryLock(timeout)來替代使用內(nèi)部鎖機制

對于數(shù)據(jù)庫鎖，加鎖和解鎖必須在一個數(shù)據(jù)庫連接里，否則會出現(xiàn)解鎖失敗的情況

解決資源限制

這里我覺得《Java并發(fā)編程的藝術(shù)》講的還是挺好的。

什么是資源限制？？？

所謂資源限制就是我們在進行并發(fā)編程時，程序的運行速度受限于計算機硬件資源比如CPU,內(nèi)存等等或軟件資源比如軟件的質(zhì)量、性能等等。舉個例子：如果說服務器的帶寬只有2MB/s，某個資源的下載速度是1MB/s，系統(tǒng)啟動10個線程下載該資源并不會導致下載速度編程10MB/s，所以在并發(fā)編程時，需要考慮這些資源的限制。硬件資源限制有：帶寬的上傳和下載速度、硬盤讀寫速度和CPU處理速度；軟件資源限制有數(shù)據(jù)庫的連接數(shù)、socket連接數(shù)、軟件質(zhì)量和性能等等。

資源限制引發(fā)的問題

在并發(fā)編程中，程序運行加快的原因是運行方式從串行運行變?yōu)椴l(fā)運行，但是如果如果某段程序的并發(fā)執(zhí)行由于資源限制仍然在串行執(zhí)行的話，這時候程序的運行不僅不會加快，反而會更慢，因為可能增加了上下文切換和資源調(diào)度的時間。

如何解決資源限制的問題

對于硬件資源限制，可以考慮使用集群并行執(zhí)行程序。既然單機的資源有限制，那么就讓程序在多機上運行。比如使用Hadoop或者自己搭建服務器集群。
對于軟件資源的限制，可以考慮使用資源池將資源復用。比如使用連接池將數(shù)據(jù)庫和Socket復用，或者在調(diào)用對方webservice接口獲取數(shù)據(jù)時，只建立一個連接。另外還可以考慮使用良好的開源軟件。

在資源限制的情況下如何進行并發(fā)編程

根據(jù)不同的資源限制調(diào)整程序的并發(fā)度，比如下載文件程序依賴于兩個資源-帶寬和硬盤讀寫速度。有數(shù)據(jù)庫操作時，設計數(shù)據(jù)庫練連接數(shù)，如果SQL語句執(zhí)行非常快，而線程的數(shù)量比數(shù)據(jù)庫連接數(shù)大很多，則某些線程會被阻塞，等待數(shù)據(jù)庫連接。

參考：
維基百科，百度百科
《Java并發(fā)編程的藝術(shù)》
上下文切換的詳解：http://ifeve.com/context-swit...

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