快捷導(dǎo)航

Java 高并發(fā)一：前言

更新時(shí)間：2016年09月09日 16:56:01 作者：Hosee

本系列基于煉數(shù)成金課程，為了更好的學(xué)習(xí)，做了系列的記錄。本文主要介紹 1.高并發(fā)的概念，為以后系列知識(shí)做鋪墊。 2.兩個(gè)重要的定理

1、關(guān)于高并發(fā)的幾個(gè)重要概念

1.1 同步和異步

首先這里說(shuō)的同步和異步是指函數(shù)/方法調(diào)用方面。

很明顯，同步調(diào)用會(huì)等待方法的返回，異步調(diào)用會(huì)瞬間返回，但是異步調(diào)用瞬間返回并不代表你的任務(wù)就完成了，他會(huì)在后臺(tái)起個(gè)線程繼續(xù)進(jìn)行任務(wù)。

1.2 并發(fā)和并行

并發(fā)和并行在外在表象來(lái)說(shuō)，是差不多的。由圖所示，并行則是兩個(gè)任務(wù)同時(shí)進(jìn)行，而并發(fā)呢，則是一會(huì)做一個(gè)任務(wù)一會(huì)又切換做另一個(gè)任務(wù)。所以單個(gè)cpu是不能做并行的，只能是并發(fā)。

1.3 臨界區(qū)

臨界區(qū)用來(lái)表示一種公共資源或者說(shuō)是共享數(shù)據(jù)，可以被多個(gè)線程使用，但是每一次，只能有一個(gè)線程使用它，一旦臨界區(qū)資源被占用，其他線程要想使用這個(gè)資源，就必須等待。

1.4 阻塞和非阻塞

阻塞和非阻塞通常形容多線程間的相互影響。比如一個(gè)線程占用了臨界區(qū)資源，那么其它所有需要這個(gè)資源的線程就必須在這個(gè)臨界區(qū)中進(jìn)行等待，等待會(huì)導(dǎo)致線程掛起。這種情況就是阻塞。此時(shí)，如果占用資源的線程一直不愿意釋放資源，那么其它所有阻塞在這個(gè)臨界區(qū)上的線程都不能工作。

非阻塞允許多個(gè)線程同時(shí)進(jìn)入臨界區(qū)

所以阻塞的方式，一般性能不會(huì)太好。根據(jù)一般的統(tǒng)計(jì)，如果一個(gè)線程在操作系統(tǒng)層面被掛起，做了上下文切換了，通常情況需要8W個(gè)時(shí)間周期來(lái)做這個(gè)事情。

1.5 死鎖、饑餓、活鎖

所謂死鎖：是指兩個(gè)或兩個(gè)以上的進(jìn)程在執(zhí)行過(guò)程中，由于競(jìng)爭(zhēng)資源或者由于彼此通信而造成的一種阻塞的現(xiàn)象，若無(wú)外力作用，它們都將無(wú)法推進(jìn)下去。此時(shí)稱(chēng)系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)或系統(tǒng)產(chǎn)生了死鎖，這些永遠(yuǎn)在互相等待的進(jìn)程稱(chēng)為死鎖進(jìn)程。就如同下圖中的車(chē)都想前進(jìn)，卻誰(shuí)都無(wú)法前進(jìn)。

但是死鎖雖說(shuō)是不好的現(xiàn)象，但是它是一個(gè)靜態(tài)的問(wèn)題，一旦發(fā)生死鎖，進(jìn)程被卡死，cpu占有率也是0，它不會(huì)占用cpu，它會(huì)被調(diào)出去。相對(duì)來(lái)說(shuō)還是比較好發(fā)現(xiàn)和分析的。

與死鎖相對(duì)應(yīng)的是活鎖。

活鎖，指事物1可以使用資源，但它讓其他事物先使用資源；事物2可以使用資源，但它也讓其他事物先使用資源，于是兩者一直謙讓?zhuān)紵o(wú)法使用資源。

舉個(gè)例子，就如同你在街上遇到個(gè)人，剛好他朝著你的反方向走，與你正面碰到，你們都想讓彼此過(guò)去。你往左邊移，他也往左邊移，兩人還是無(wú)法過(guò)去。這時(shí)你往右邊移，他也往右邊移，如此循環(huán)下去。

一個(gè)線程在取得了一個(gè)資源時(shí)，發(fā)現(xiàn)其他線程也想到這個(gè)資源，因?yàn)闆](méi)有得到所有的資源，為了避免死鎖把自己持有的資源都放棄掉。如果另外一個(gè)線程也做了同樣的事情，他們需要相同的資源，比如A持有a資源，B持有b資源，放棄了資源以后，A又獲得了b資源，B又獲得了a資源，如此反復(fù)，則發(fā)生了活鎖。

活鎖會(huì)比死鎖更難發(fā)現(xiàn)，因?yàn)榛铈i是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程。

饑餓是指某一個(gè)或者多個(gè)線程因?yàn)榉N種原因無(wú)法獲得所需要的資源，導(dǎo)致一直無(wú)法執(zhí)行。

1.6 并發(fā)級(jí)別

并發(fā)級(jí)別：阻塞和非阻塞（非阻塞分為無(wú)障礙、無(wú)鎖、無(wú)等待）

1.6.1 阻塞

當(dāng)一個(gè)線程進(jìn)入臨界區(qū)后，其他線程必須等待

1.6.2 無(wú)障礙

無(wú)障礙是一種最弱的非阻塞調(diào)度
自由出入臨界區(qū)
無(wú)競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，有限步內(nèi)完成操作
有競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，回滾數(shù)據(jù)

和非阻塞調(diào)度相比呢，阻塞調(diào)度是一種悲觀的策略，它會(huì)認(rèn)為說(shuō)一起修改數(shù)據(jù)是很有可能把數(shù)據(jù)改壞的。而非阻塞調(diào)度呢，是一種樂(lè)觀的策略，它認(rèn)為大家修改數(shù)據(jù)未必把數(shù)據(jù)改壞。但是它是一種寬進(jìn)嚴(yán)出的策略，當(dāng)它發(fā)現(xiàn)一個(gè)進(jìn)程在臨界區(qū)內(nèi)發(fā)生了數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)，產(chǎn)生了沖突，那么無(wú)障礙的調(diào)度方式則會(huì)回滾這條數(shù)據(jù)。

在這個(gè)無(wú)障礙的調(diào)度方式當(dāng)中，所有的線程都相當(dāng)于在拿去一個(gè)系統(tǒng)當(dāng)前的一個(gè)快照。他們一直會(huì)嘗試拿去的快照是有效的為止。

1.6.3 無(wú)鎖

是無(wú)障礙的

保證有一個(gè)線程可以勝出

與無(wú)障礙相比，無(wú)障礙并不保證有競(jìng)爭(zhēng)時(shí)一定能完成操作，因?yàn)槿绻l(fā)現(xiàn)每次操作都會(huì)產(chǎn)生沖突，那它則會(huì)不停地嘗試。如果臨界區(qū)內(nèi)的線程互相干擾，則會(huì)導(dǎo)致所有的線程會(huì)卡死在臨界區(qū)，那么系統(tǒng)性能則會(huì)有很大的影響。

而無(wú)鎖增加了一個(gè)新的條件，保證每次競(jìng)爭(zhēng)有一個(gè)線程可以勝出，則解決了無(wú)障礙的問(wèn)題。至少保證了所有線程都順利執(zhí)行下去。

下面代碼是Java中典型的無(wú)鎖計(jì)算代碼

無(wú)鎖在Java中很常見(jiàn)

while (!atomicVar.compareAndSet(localVar, localVar+1)) 
{ 
 localVar = atomicVar.get(); 
}

1.6.4 無(wú)等待

無(wú)鎖的

要求所有的線程都必須在有限步內(nèi)完成

無(wú)饑餓的

首先無(wú)等待的前提是無(wú)鎖的基礎(chǔ)上的，無(wú)鎖它只保證了臨界區(qū)肯定有進(jìn)也有出，但是如果進(jìn)的優(yōu)先級(jí)都很高，那么臨界區(qū)內(nèi)的某些優(yōu)先級(jí)低的線程可能發(fā)生饑餓，一直出不了臨界區(qū)。那么無(wú)等待解決了這個(gè)問(wèn)題，它保證所有的線程都必須在有限步內(nèi)完成，自然是無(wú)饑餓的。

無(wú)等待是并行的最高級(jí)別，它能使這個(gè)系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

無(wú)等待的典型案例：

如果只有讀線程，沒(méi)有線線程，那么這個(gè)則必然是無(wú)等待的。

如果既有讀線程又有寫(xiě)線程，而每個(gè)寫(xiě)線程之前，都把數(shù)據(jù)拷貝一份副本，然后修改這個(gè)副本，而不是修改原始數(shù)據(jù)，因?yàn)樾薷母北荆瑒t沒(méi)有沖突，那么這個(gè)修改的過(guò)程也是無(wú)等待的。最后需要做同步的只是將寫(xiě)完的數(shù)據(jù)覆蓋原始數(shù)據(jù)。

由于無(wú)等待要求比較高，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難，所以無(wú)鎖使用得會(huì)更加廣泛一些。

2. 有關(guān)并行的兩個(gè)重要定律

這兩個(gè)定律都與加速比有關(guān)

2.1 Amdahl定律

定義了串行系統(tǒng)并行化后的加速比的計(jì)算公式和理論上限

加速比定義：加速比=優(yōu)化前系統(tǒng)耗時(shí)/優(yōu)化后系統(tǒng)耗時(shí)

舉個(gè)例子：