《Java并发编程的艺术》读后笔记-part1

第一章 并发编程的挑战

并发编程的目的是为了让程序运行得更快，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。在进行并发编程时，如果希望通过多线程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。

1.上下文切换

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执行的，时间片一般是几十毫秒（ms）。

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的状态。所以任务从保存到再加载的过程就是一次上下文切换。

举个栗子：

这就像我们同时读两本书，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，但是在放下英文技术书之前，大脑必须先记住这本书读到了多少页的第多少行，等查完单词之后，能够继续读这本书。这样的切换是会影响读书效率的，同样上下文切换也会影响多线程的执行速度。

1.1多线程就一定快吗？

我们先看个栗子：

下面的代码分别演示串行和并发执行并累加操作的时间。

public class demo1Main1 
    private static final long count = 100001;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
        concurrency();
        serial();
    

    private static void serial() 
        long start = System.currentTimeMillis();
        int a = 0;
        for (long i = 0; i < count; i++) 
            a += 5;
        
        int b = 0;
        for (long i = 0; i < count; i++) 
            b--;
        
        long time = System.currentTimeMillis() - start;
        System.out.println("serial:" + time + "ms,b=" + b + ",a=" + a);
    

    private static void concurrency() throws InterruptedException 
        long start = System.currentTimeMillis();
        Thread thread = new Thread(new Runnable() 
            @Override
            public void run() 
                int a = 0;
                for (long i = 0; i < count; i++) 
                    a += 5;
                
            
        );
        thread.start();
        int b = 0;
        for (long i = 0; i < count; i++) 
            b--;
        
        long time = System.currentTimeMillis() - start;
        thread.join();//属于线程 Thread 的方法，在主线程上运行调用该方法，会让主线程休眠，不会释放锁，让调用join()方法的线程先执行完毕，这里是为了防止thread线程还未执行完，就已经执行了主线程的sout语句。
        System.out.println("concurrency:" + time + "ms,b=" + b);
    

最后我们得出的结果：

结论：可以看出，循环次数较小时，串行执行比并发执行更快。而到了一个大的数量级并发则明显好于串行。这是因为循环次数小时，并发执行的线程创建和上下文切换的开销占总执行时间更大，当循环次数更大时，执行这些操作的时间和总时间相比就不值一提了，此时并行就显现出它的优势。

1.2如何减少上下文切换呢？

1. 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段的数据。
2. CAS算法：Java的Atomic包使用CAS算法来更新数据，而不需要加锁。
3. 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。
4. 协程：在单线程里实现多任务的调度，并在单线程里维持多个任务间的切换

2.死锁

锁是个非常有用的工具，运用场景非常多，因为它使用起来非常简单，而且易于理解。但同时它也会带来一些困扰，那就是可能会引起死锁，一旦产生死锁，就会造成系统功能不可用。

这里我们举个栗子：

public class demo1Main1 
    private static String A = "A";
    private static String B = "B";

    public static void main(String[] args) 
        new demo1Main1().deadLock();
    

    private void deadLock() 
        Thread t1 = new Thread(new Runnable() 
            @Override
            public void run() 
                synchronized (A) 
                    try 
                        Thread.currentThread().sleep(2000);//属于线程 Thread 的方法，让线程暂缓执行，等待预计时间之后再恢复，交出CPU使用权，不会释放锁。这里是为了防止t1对A和B全部加锁了，t2还没有对B加锁。让执行顺序保证为t1->A,t2->B...
                     catch (InterruptedException e) 
                        e.printStackTrace();
                    
                    synchronized (B) 
                        System.out.println("1");
                    
                
            
        );
        Thread t2 = new Thread(new Runnable() 
            @Override
            public void run() 
                synchronized (B) 
                    synchronized (A) 
                        System.out.println("2");
                    
                
            
        );
        t1.start();
        t2.start();
    

可以看出当t1拿到A的锁后，t2又拿到了B的锁，然后都等对方释放对方的锁，这样造成一个互等局面，从而死锁。

2.1避免死锁的几个方法

1. 避免一个线程同时获取多个锁。
2. 避免一个线程在锁内同时占用多个资源，尽量保证每个锁只占用一个资源。
3. 尝试使用定时锁，使用lock.tryLock（timeout）来替代使用内部锁机制。
4. 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

1.什么是资源限制？

资源限制是指在进行并发编程时，程序的执行速度受限于计算机硬件资源或软件资源。

例如，服务器的带宽只有2Mb/s，某个资源的下载速度是1Mb/s每秒，系统启动10个线程下载资源，下载速度不会变成10Mb/s，所以在进行并发编程时，要考虑这些资源的限制。硬件资源限制有带宽的上传/下载速度、硬盘读写速度和CPU的处理速度。软件资源限制有数据库的连接数和socket连接数等。

2.资源限制引发的问题？

在并发编程中，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，仍然在串行执行，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。

例如，之前看到一段程序使用多线程在办公网并发地下载和处理数据时，导致CPU利用率达到100%，几个小时都不能运行完成任务，后来修改成单线程，一个小时就执行完成了。

3.如何解决资源限制的问题呢？

• 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，那么就让程序在多机上运行。比如使用ODPS、Hadoop或者自己搭建服务器集群，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。
• 对于软件资源限制：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。

4.如何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程序的并发度，比如下载文件程序依赖于两个资源——带宽和硬盘读写速度。有数据库操作时，涉及数据库连接数，如果SQL语句执行非常快，而线程的数量比数据库连接数大很多，则某些线程会被阻塞，等待数据库连接。