Java并发专题【1】：并发编程简介

注：本文参考于微信公众号：Java知音

由于最近想重新看下并发方面的知识，所以拿来总结一下，和大家分享探讨一下。

1.为什么要用到并发？

并发编程在一定程度上离不开多核CPU的发展。随着单核CPU的研发已经不能遵循“摩尔定律”（摩尔定律是硬件发展的观测定律，另外还有基于“摩尔定律”的“反摩尔定律”，不过“反摩尔定律”是软件领域的定律，有兴趣的可以自行了解），硬件工程师们为了进一步提升计算速度，而不是再追求单独的计算单元，而是将多个计算单元整合到了一起，也就是形成了多核CPU。短短十几年的时间，家用型CPU,比如Intel i7就可以达到4核心甚至8核心。而专业服务器则通常可以达到几个独立的CPU，每一个CPU甚至拥有多达8个以上的内核。

因此，“摩尔定律”似乎在CPU核心扩展上继续得到体验。而在多核的CPU的背景下，催生了并发编程的趋势，通并发编程的形式可以将多核CPU的计算能力发挥到极致，性能得到提升。

在特殊的业务场景下先天的就适合于并发编程。比如在图像处理领域，一张1024X768像素的图片，包含达到78万6千多个像素。即时将所有的像素遍历一边都需要很长的时间，面对如此复杂的计算量就需要充分利用多核的计算的能力。

另外在开发购物平台时，为了提升响应速度，需要拆分，减库存，生成订单等等这些操作，就可以进行拆分利用多线程的技术完成。面对复杂业务模型，并行程序会比串行程序更适应业务需求，而并发编程吻合更能这种业务拆分正是因为这些优点，使得多线程技术能够得到重视，也是一名CS学习者应该掌握的：

充分利用多核CPU的计算能力;
方便进行业务拆分，提升应用性能

2.并发编程有哪些缺点？

2.1 频繁的上下文切换

时间片是CPU分配给各个线程的时间，因为时间非常短，所以CPU不断通过切换线程，让我们觉得多个线程是同时执行的，时间片一般是几十毫秒。

每次切换时，需要把当前的状态保存起来，以便能够进行恢复先前状态，而这个切换行为非常损耗性能，过于频繁切换反而无法发挥出多线程编程的优势。通常减少上下文切换可以采用无锁并发编程、 CAS算法、使用最少的线程和使用协程。

无锁并发编程：可以参照的ConcurrentHashMap锁分段的思想，不同的线程处理不同段的数据，这样在多线程竞争的条件下，可以减少上下文切换的时间。

CAS算法，利用原子下使用CAS算法来更新数据，使用了乐观锁，可以有效的减少一部分不必要的锁竞争带来的上下文切换

使用最少线程：避免创建不需要的线程，比如任务很少，但是创建了很多的线程，这样会造成大量的线程都处于等待状态

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

由于上下文切换是个相对比较耗时的操作，所以在 “Java的并发编程的艺术” 一书中有过一个实验，并发累加未必会比串行累加速度快。

2.2 线程的安全性问题

多线程编程中最难以把握的就是临界区线程安全问题，稍微不注意就会出现死锁的情况，一旦产生死锁就会造成系统功能不可用。

public class DeadLockDemo {

    private static String demo_a = "A";
    private static String demo_b = "B";

    public static void main(String[] args) {
        deadLock();
    }

    public static void deadLock() {

        Thread thread_a = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                synchronized (demo_a){
                    System.out.println("get demo a");

                    try {
                        Thread.sleep(3000);
                        synchronized (demo_b){
                            System.out.println("get demo b");
                        }
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }


            }
        });


        Thread thread_b = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                synchronized (demo_b){
                    System.out.println("get demo b");
                    synchronized (demo_a){
                        System.out.println("get demo a ");
                    }
                }
            }
        });


        thread_a.start();
        thread_b.start();
    }
}

在上面的这个demo中，开启了两个线程thread_a，thread_b，其中thread_a占用了demo_a，并等待被thread_b释放的资源demo_b，thread_b占用了资源demo_b正在等待被thread_a释放的资源demo_a。

因此thread_a，thread_b出现线程安全的问题，形成死锁。

通常可以用如下方式避免死锁的情况：

避免一个线程同时获得多个锁;
避免一个线程在锁内部占有多个资源，尽量保证每个锁只占用一个资源;
尝试使用定时锁，使用lock.tryLock（timeOut），当超时等待时当前线程不会阻塞;
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

所以，如何正确的使用多线程编程技术有很大的学问，比如如何保证线程安全，如何正确理解由于JMM内存模型在原子性，有序性，可见性带来的问题，比如数据脏读，DCL等这些问题（在后续篇幅会讲述）。而在学习多线程编程技术的过程中也会让你收获颇丰。

3. 需要了解的一些概念

3.1 同步VS异步

同步和异步通常用来形容一次方法调用。同步方法调用开始后，调用者必须等待被调用的方法结束后，调用者后面的代码才能执行。而异步调用，指的是，调用者不用管被调用方法是否完成，都会继续执行后面的代码，当被调用的方法完成后会通知调用者。

3.2 并发与并行

并发和并行是十分容易混淆的概念。并发指的是多个任务交替进行，而并行则是指真正意义上的“同时进行”。实际上，如果系统内只有一个CPU，使用多线程时，在真实系统环境下不能并行，只能通过切换时间片的方式交替进行，从而并发执行任务。真正的并行只能出现在拥有多个CPU的系统中。

3.3 阻塞和非阻塞

阻塞和非阻塞通常用来形容多线程间的相互影响，比如一个线程占有了临界区资源，那么其他线程需要这个资源就必须进行等待该资源的释放，会导致等待的线程挂起，这种情况就是阻塞，而非阻塞就恰好相反，它强调没有一个线程可以阻塞其他线程，所有的线程都会尝试地往前运行。

3.4 临界区

临界区用来表示公共资源或者说是共享数据，可以被多个线程使用。但是每个线程使用时，一旦临界区资源被一个线程占有，那么其他线程必须等待。