五. 并发编程中一些问题
Published by linzhi teng
五. 并发编程中一些问题
1. 多线程就一定好吗？快吗？？
- 并发编程的目的就是为了能提高程序的执行效率提高程序运行速度，但是并发编程并不总是能提高程序运行速度的，而且并发编程可能会遇到很多问题，
比如：内存泄漏、上下文切换、死锁还有受限于硬件和软件的资源闲置问题。 - 多线程就是几乎同时执行多个线程（一个处理器在某一个时间点上永远都只能是一个线程！即使这个处理器是多核的，除非有多个处理器才能实现多个线程同时运行）。CPU通过给每个线程分配CPU时间片来实现伪同时运行，因为CPU时间片一般很短很短，所以给人一种同时运行的感觉。
2. 上下文切换
- 当前任务在执行完CPU时间片切换到另一个任务之前会先保存自己的状态，以便下次再切换会这个任务时，可以再加载这个任务的状态。任务从保存到再加载的过程就是一次上下文切换。
- 上下文切换通常是计算密集型的。也就是说，它需要相当可观的处理器时间，在每秒几十上百次的切换中，每次切换都需要纳秒量级的时间。所以，上下文切换对系统来说意味着消耗大量的 CPU 时间，事实上，可能是操作系统中时间消耗最大的操作。
2.1 减少上下文切换
- 上下文切换又分为2种：
- 让步式上下文切换
指执行线程主动释放CPU，与锁竞争严重程度成正比，可通过减少锁竞争和使用CAS算法来避免；- 抢占式上下文切换。
指线程因分配的时间片用尽而被迫放弃CPU或者被其他优先级更高的线程所抢占，一般由于线程数大于CPU可用核心数引起，可通过适当减少线程数和使用协程来避免。
总结一下：
- 减少锁的使用。因为多线程竞争锁时会引起上下文切换。
- 使用CAS算法。这种算法也是为了减少锁的使用。CAS算法是一种无锁算法。
- 减少线程的使用。人物很少的时候创建大量线程会导致大量线程都处于等待状态。
- 使用协程。
2.2 CAS算法
CAS（比较与交换，Compare and swap） 是一种有名的无锁算法。无锁编程，即不使用锁的情况下实现多线程之间的变量同步，也就是在没有线程被阻塞的情况下实现变量的同步，所以也叫非阻塞同步（Non-blocking Synchronization）。
实现非阻塞同步的方案称为"无锁编程算法"（ Non-blocking algorithm）。 属于乐观锁。
CAS算法涉及到三个操作数
- 需要读写的内存值V
- 进行比较的值A
- 拟写入的新值B
- 当且仅当 V 的值等于 A时，CAS通过原子方式用新值B来更新V的值，否则不会执行任何操作（比较和替换是一个原子操作）。一般情况下是一个自旋操作，即不断的重试。
2.3 协程
协程也可以说是微线程或者说是轻量级的线程，它占用的内存更少并且更灵活。很多编程语言中都有协程。
3. 避免死锁
3.1 如何产生的死锁
- 在操作系统中，死锁是指两个或两个以上的进程在执行过程中，由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁，这些永远在互相等待的进程称为死锁进程。
- 在线程中，如果两个线程同时等待对方释放锁也会产生死锁。
3.2 避免死锁的常见方法
- 避免一个线程同时获得多个锁
- 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
- 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
3.3 解决资源限制
- 什么是资源限制？
所谓资源限制就是我们在进行并发编程时，程序的运行速度受限于计算机硬件资源比如CPU,内存等等或软件资源比如软件的质量、性能等等。举个例子：如果说服务器的带宽只有2MB/s，某个资源的下载速度是1MB/s，系统启动10个线程下载该资源并不会导致下载速度编程10MB/s，所以在并发编程时，需要考虑这些资源的限制。硬件资源限制有：带宽的上传和下载速度、硬盘读写速度和CPU处理速度；软件资源限制有数据库的连接数、socket连接数、软件质量和性能等等。
- 资源限制引发的问题
在并发编程中，程序运行加快的原因是运行方式从串行运行变为并发运行，但是如果某段程序的并发执行由于资源限制仍然在串行执行的话，这时候程序的运行不仅不会加快，反而会更慢，因为可能增加了上下文切换和资源调度的时间。
3.如何解决资源限制的问题
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Hadoop或者自己搭建服务器集群。
对于软件资源的限制，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复用，或者在调用对方webservice接口获取数据时，只建立一个连接。另外还可以考虑使用良好的开源软件。
- 在资源限制的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，设计数据库练连接数，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。
