并发编程的挑战
2019-01-05 本文已影响0人
CoolTomato
一、引言
并发编程的目的是为了让程序运行的更快，但是并不是启动更多的线程就能让程序最大限度的并发执行。这其中存在着很多的挑战，比如上下文的切换问题、死锁、受限于软硬件的限制。
二、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的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通过不断的切换线程执行，让我们觉得是多个先线程是同时执行的，时间片一般是几十毫秒。
- 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。
多线程一定快吗？
当并发执行累加操作不超过百万次时，速度会比串行执行累加操作要慢，这是为什么呢？因为线程有创建和上下文切换的开销（说明：上下文每1秒切换1000多次）。
如何减少上下文切换
- 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。
- CAS算法：Java的Atomic包使用CAS算法来更新数据，而不需要加锁。
- 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，这样造成大量线程都处于等待状态。
- 使用协程：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。
三、死锁
锁是个非常有用的工具，运用场景也非常多。但是，它也给我们带来了很大的困扰——死锁。
避免死锁的常见方法
- 避免一个线程同时获取多个锁。
- 避免一个线程在锁内同时占有多个资源，尽量保证每个锁只占有一个资源。
- 尝试使用定时锁，使用lock.tryLock(timeout)来替代使用内部锁机制）。
- 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。
四、资源限制的挑战
什么是资源限制
- 硬件资源限制：带宽的上传/下载速度、硬盘的读写速度、CPU的处理速度......
- 软件资源限制：数据库的连接数、socket连接数......
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为并发执行，但是因为资源限制，代码仍然在串行执行。如果是这样，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。
如何解决资源限制的问题
- 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，那么就让程序在多机上执行。
- 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；在调用webservice接口获取数据时，只建立一个来连接。
在资源限制情况下如何进行并发编程？
根据不同的资源限制调整程序的并发度。比如，文件下载依赖于——带宽和硬盘读写速度；数据库操作时，涉及数据库连接数，如果SQL语句执行非常快，而线程的数据比数据库的连接数大很多，则某些线程会被阻塞，等待数据库连接。
建议：对于Java开发工程师而言，尤其初、中级程序员，应该多使用JDK并发包提供的并发容器和工具类来解决并发问题。一方面可以了解大神们的解决方案，另一方面减少自己开创的并发编程带来的不必要的bug。
