说说并发编程的常见问题

分析&回答

注意误区

• 并发编程并不是银弹，做为一种基于共享内存的并发编程，它会存在很多编程上的问题，比如：上下文切换、死锁、线程饥饿、竞争条件、Bug难以重现和定位
• 并发编程的目的是 为了让程序运行得更快。但是， 并不是启动更多的线程就能让程序最大限度地并发执行。
• 多线程不一定快，这是因为线程有创建和上下文切换的开销。

上下文切换问题

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通过不停地切换线程执行，让我们感觉多个线程是同时执行的，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，可以再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。

这就像我们同时读两本书，当我们在读一本英文的技术书时，发现某个单词不认识，于是便打开中英文字典，但是在放下英文技术书之前，大脑必须先记住这本书读到了多少页的第多少行，等查完单词之后，能够继续读这本书。这样的切换是会影响读书效率的，同样上下文切换也会影响多线程的执行速度。

如何减少上下文切换

减少上下文切换的方法有无锁并发编程、CAS算法、使用最少线程和使用协程。

• 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，这样会造成大量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。

死锁问题

参考：Java如何检测死锁？

饥饿

饥饿，线程因无法访问所需资源而无法执行下去的情况。

“不患寡，而患不均”，如果线程优先级“不均”，在CPU繁忙的情况下，优先级低的线程得到执行的机会很小，就可能发生线程“饥饿”；持有锁的线程，如果执行的时间过长，也可能导致“饥饿”问题。

解决“饥饿”问题的方案很简单，有三种方案：

• 一是保证资源充足，
• 二是公平地分配资源，
• 三就是避免持有锁的线程长时间执行。

这三个方案中，方案一和方案三的适用场景比较有限，因为很多场景下，资源的稀缺性是没办法解决的，持有锁的线程执行的时间也很难缩短。倒是方案二的适用场景相对来说更多一些。

竞争条件

竞态条件是指同一个程序多线程访问同一个资源，如果对资源的访问顺序敏感，就称存在竞态条件，代码区成为临界区。最常见的竞态条件为：先检测后执行。执行依赖于检测的结果，而检测结果依赖于多个线程的执行时序，而多个线程的执行时序通常情况下是不固定不可判断的，从而导致执行结果出现各种问题。

那么我们如何解决这个问题呢？

• 第一种办法：使用synchronized
• 第二种办法：使用CAS

反思&扩展

如何测试上下文切换次数和时长

• 使用Lmbench3可以测量上下文切换的时长
• 使用vmstat可以测量上下文切换的次数。

如何在资源限制情况下进行并发编程？