并發(fā)編程與多線程編程

要了解并發(fā)編程，首先要懂得與并行這個(gè)概念進(jìn)行區(qū)分。并行是指兩個(gè)事件同時(shí)進(jìn)行，并發(fā)是CPU切換速度快，看起來(lái)像是每個(gè)任務(wù)同時(shí)進(jìn)行一樣。多線程是實(shí)現(xiàn)并發(fā)編程的一種方式，假設(shè)一個(gè)場(chǎng)景，在廣州地鐵高峰時(shí)段，一群人涌進(jìn)地鐵里，在不同的閘機(jī)口刷卡進(jìn)去。在這個(gè)場(chǎng)景里，進(jìn)地鐵就是任務(wù)，每個(gè)人可以看出是并發(fā)的，而多個(gè)刷卡閘機(jī)口就是多線程。

  并發(fā)編程的本質(zhì)目的是為了充分利用CPU，讓程序運(yùn)行得更快。然而，并不是啟動(dòng)更多的線程就能讓程序最大限度地并發(fā)執(zhí)行。在進(jìn)行并發(fā)編程時(shí)，如果希望通過(guò)多線程執(zhí)行任務(wù)讓程序運(yùn)行得更快，會(huì)面臨非常多的挑戰(zhàn)。比如上下文切換的問(wèn)題、死鎖的問(wèn)題，以及受限于硬件和軟件的資源限制問(wèn)題，下面就來(lái)嘮嗑嘮嗑這些因素。

上下文切換

原理分析

正如上面所言，并發(fā)與并行最大的區(qū)別就是，并發(fā)只是看起來(lái)像是并行。實(shí)際上是，CPU通過(guò)給每個(gè)線程分配時(shí)間來(lái)執(zhí)行這個(gè)線程的程序，只是這個(gè)時(shí)間非常短，通常是幾十毫秒，我們根本無(wú)法觀察到變化，感覺(jué)它們都是同時(shí)執(zhí)行的一樣。

  CPU通過(guò)時(shí)間片分配算法來(lái)循環(huán)執(zhí)行任務(wù)，當(dāng)前任務(wù)執(zhí)行一個(gè)時(shí)間片后會(huì)切換到下一個(gè)任務(wù)。但是，在切換前會(huì)保存上一個(gè)任務(wù)的狀態(tài)，以便下次切換回這個(gè)任務(wù)時(shí)，可以再加載這個(gè)任務(wù)的狀態(tài)。所以任務(wù)從保存到再加載的過(guò)程就是一次上下文切換。因此，不難得知，上下文切換需要耗費(fèi)不少時(shí)間。

  再來(lái)假設(shè)一個(gè)場(chǎng)景，一個(gè)人去火車(chē)站買(mǎi)票，買(mǎi)票的窗口有十來(lái)個(gè)那么多。買(mǎi)票的人并不知道哪個(gè)窗口可以買(mǎi)到票，只能挨個(gè)地問(wèn)，最后終于在最后一個(gè)窗口買(mǎi)到了。這個(gè)場(chǎng)景，看似買(mǎi)票的過(guò)程很長(zhǎng)，其實(shí)大部分時(shí)間都在切換窗口上，這也就是上下文切換的問(wèn)題所在。因此，并非線程數(shù)多就一定執(zhí)行得快，要選擇與任務(wù)相適應(yīng)的線程數(shù)才是最佳方案。

測(cè)試代碼

package Concurrency;

/**
 * @author RuiMing Lin
 * @date 2020-03-28 12:19
 */
public class Demo1 {
  public static void main(String[] args) {
    System.out.println("萬(wàn)級(jí)循環(huán)：");
    concurrency(10000);
    serial(10000);
    System.out.println("--------------------------華麗分隔符--------------------------------");
    System.out.println("十萬(wàn)級(jí)循環(huán)：");
    concurrency(100000);
    serial(100000);
    System.out.println("--------------------------華麗分隔符--------------------------------");
    System.out.println("百萬(wàn)級(jí)循環(huán)：");
    concurrency(1000000);
    serial(1000000);
    System.out.println("--------------------------華麗分隔符--------------------------------");
    System.out.println("千萬(wàn)級(jí)循環(huán)：");
    concurrency(10000000);
    serial(10000000);
    System.out.println("--------------------------華麗分隔符--------------------------------");
    System.out.println("億級(jí)循環(huán)：");
    concurrency(100000000);
    serial(100000000);
  }

  private static void concurrency(long count){
    // 開(kāi)啟三個(gè)線程執(zhí)行三個(gè)循環(huán)
    long start = System.currentTimeMillis();
    new Thread(new Runnable() {
      @Override
      public void run() {
        int a = 0;
        for (long i = 0; i < count; i++) {
          a++;
        }
      }
    }).start();
    new Thread(new Runnable() {
      @Override
      public void run() {
        int b = 0;
        for (long i = 0; i < count; i++) {
          b++;
        }
      }
    }).start();
    new Thread(new Runnable() {
      @Override
      public void run() {
        int c = 0;
        for (long i = 0; i < count; i++) {
          c++;
        }
      }
    }).start();
    long end = System.currentTimeMillis();
    long time = end - start;
    System.out.println("并行執(zhí)行花費(fèi)時(shí)間為：" + time + "ms");
  }

  private static void serial(long count){
    // 三個(gè)循環(huán)順序執(zhí)行
    long start = System.currentTimeMillis();
    int a = 0;
    int b = 0;
    int c = 0;
    for (int i = 0; i < count; i++) {
      a++;
    }
    for (int i = 0; i < count; i++) {
      b++;
    }
    for (int i = 0; i < count; i++) {
      c++;
    }
    long end = System.currentTimeMillis();
    long time = end - start;
    System.out.println("串行執(zhí)行花費(fèi)時(shí)間為：" + time + "ms");
  }
}

結(jié)果輸出：

萬(wàn)級(jí)循環(huán)： 并行執(zhí)行花費(fèi)時(shí)間為：4ms 串行執(zhí)行花費(fèi)時(shí)間為：1ms

--------------------------華麗分隔符--------------------------------

十萬(wàn)級(jí)循環(huán)： 并行執(zhí)行花費(fèi)時(shí)間為：1ms 串行執(zhí)行花費(fèi)時(shí)間為：4ms

--------------------------華麗分隔符--------------------------------

百萬(wàn)級(jí)循環(huán)： 并行執(zhí)行花費(fèi)時(shí)間為：1ms 串行執(zhí)行花費(fèi)時(shí)間為：10ms

--------------------------華麗分隔符--------------------------------

千萬(wàn)級(jí)循環(huán)： 并行執(zhí)行花費(fèi)時(shí)間為：1ms 串行執(zhí)行花費(fèi)時(shí)間為：36ms

--------------------------華麗分隔符--------------------------------

億級(jí)循環(huán)： 并行執(zhí)行花費(fèi)時(shí)間為：1ms 串行執(zhí)行花費(fèi)時(shí)間為：357ms

分析結(jié)果：

當(dāng)數(shù)量級(jí)在萬(wàn)級(jí)時(shí)，串行是比并發(fā)要快的，當(dāng)數(shù)量級(jí)來(lái)到十萬(wàn)以后，串行便顯得力不從心了。所以，可以認(rèn)為當(dāng)程序執(zhí)行量不夠大時(shí)，是沒(méi)必要開(kāi)啟多線程的。

如何減少上下文切換

減少上下文切換的方法有無(wú)鎖并發(fā)編程、CAS算法、使用最少線程和使用協(xié)程。

1. 無(wú)鎖并發(fā)編程。多線程競(jìng)爭(zhēng)鎖時(shí)，會(huì)引起上下文切換，所以多線程處理數(shù)據(jù)時(shí)，可以用一些辦法來(lái)避免使用鎖，如將數(shù)據(jù)的ID按照Hash算法取模分段，不同的線程處理不同段的數(shù)據(jù)。
2. CAS算法。Java的Atomic包使用CAS算法來(lái)更新數(shù)據(jù)，而不需要加鎖。
3. 使用最少線程。避免創(chuàng)建不需要的線程，比如任務(wù)很少，但是創(chuàng)建了很多線程來(lái)處理，這樣會(huì)造成大量線程都處于等待狀態(tài)。
4. 協(xié)程：在單線程里實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的調(diào)度，并在單線程里維持多個(gè)任務(wù)間的切換。
   

死鎖

原理分析

 死鎖，是指多個(gè)線程在運(yùn)行過(guò)程中因爭(zhēng)奪相同資源而造成的一種僵局，當(dāng)進(jìn)程處于這種僵持狀態(tài)時(shí)，它們都將無(wú)法再向前推進(jìn)，此時(shí)程序就處于癱瘓狀態(tài)，無(wú)法執(zhí)行。 通常情況下，是多個(gè)線程共同競(jìng)爭(zhēng)同一把鎖對(duì)象，而其中一個(gè)線程獲得鎖之后發(fā)生異常等未來(lái)得及釋放鎖，導(dǎo)致其它線程一直在等待，無(wú)法運(yùn)行。

測(cè)試代碼

package Concurrency;

/**
 * @author RuiMing Lin
 * @date 2020-03-28 13:14
 */
public class Demo2 {
  private static String str1 = "A";
  private static String str2 = "B";

  public static void main(String[] args) {
    new Thread(new Runnable() {
      @Override
      public void run() {
        synchronized (str1){
          System.out.println("第一個(gè)線程獲得str1");
          try {
            Thread.currentThread().sleep(2000);
          }catch (InterruptedException e){
            e.printStackTrace();
          }
          synchronized (str2){
            System.out.println("第一個(gè)線程獲得str2");
          }
        }
      }
    }).start();

    new Thread(new Runnable() {
      @Override
      public void run() {
        synchronized (str2){
          System.out.println("第二個(gè)線程獲得str2");
          try {
            Thread.currentThread().sleep(2000);
          }catch (InterruptedException e){
            e.printStackTrace();
          }
          synchronized (str1){
            System.out.println("第二個(gè)線程獲得str1");
          }
        }
      }
    }).start();
  }
}

結(jié)果輸出：

如何解決死鎖

1. 避免一個(gè)線程同時(shí)獲取多個(gè)鎖。
2. 避免一個(gè)線程在鎖內(nèi)同時(shí)占用多個(gè)資源，盡量保證每個(gè)鎖只占用一個(gè)資源。
3. 嘗試使用定時(shí)鎖，使用lock.tryLock（timeout）來(lái)替代使用內(nèi)部鎖機(jī)制。
4. 對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)鎖，加鎖和解鎖必須在一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)連接里，否則會(huì)出現(xiàn)解鎖失敗的情況。

總結(jié)

并發(fā)程序并不是簡(jiǎn)單的程序，編寫(xiě)的時(shí)候應(yīng)該嚴(yán)謹(jǐn)一些。復(fù)雜的代碼容易引起死鎖，因此，建議多使用JDK并發(fā)包提供的并發(fā)容器和工具類(lèi)來(lái)解決并發(fā)問(wèn)題。同時(shí)，也要注重新能上的問(wèn)題，既要考慮到程序執(zhí)行任務(wù)量，也要考慮CPU性能等等，不要一昧地增加線程數(shù)。

以上就是Java中的多線程一定就快嗎?的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Java 多線程的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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