Java并发编程入门,看这一篇就够了


Java并发编程一直是Java程序员必须懂但又是很难懂的技术内容。这里不仅仅是指使用简单的多线程编程,或者使用juc的某个类。当然这些都是并发编程的基本知识,除了使用这些工具以外,Java并发编程中涉及到的技术原理十分丰富。

于是乎,就诞生了想写点东西记录下,以提升理解和对并发编程的认知。为什么需要用到并发?凡事总有好坏两面,之间的trade-off是什么,也就是说并发编程具有哪些挑战?以及在进行并发编程时应该了解和掌握的概念是什么?并发编程的三大特性是什么?这篇文章主要以这四个问题来谈一谈。

一.为什么要用到并发

一直以来,硬件的发展极其迅速,也有一个很著名的"摩尔定律",可能会奇怪明明讨论的是并发编程为什么会扯到了硬件的发展,这其中的关系应该是多核CPU的发展为并发编程提供的硬件基础。摩尔定律并不是一种自然法则或者是物理定律,它只是基于认为观测数据后,对未来的一种预测。按照所预测的速度,我们的计算能力会按照指数级别的速度增长,不久以后会拥有超强的计算能力,正是在畅想未来的时候,2004年,Intel宣布4GHz芯片的计划推迟到2005年,然后在2004年秋季,Intel宣布彻底取消4GHz的计划,也就是说摩尔定律的有效性超过了半个世纪戛然而止。但是,聪明的硬件工程师并没有停止研发的脚步,他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。因此,多核的CPU的背景下,催生了并发编程的趋势,通过 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 。

顶级计算机科学家Donald Ervin Knuth如此评价这种情况:在我看来,这种现象(并发)或多或少是由于硬件设计者无计可施了导致的,他们将摩尔定律的责任推给了软件开发者。

另外,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。又比如当我们在网上购物时,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,而并发编程更能吻合这种业务拆分 。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Java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

二. 并发编程有哪些挑战

多线程技术有这么多的好处,难道就没有一点缺点或者挑战么,就在任何场景下就一定适用么?很显然不是。

 

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。而每次切换时,需要保存当前的状态起来,以便能够进行恢复先前状态,而这个切换时非常损耗性能,过于频繁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Atomic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

由于上下文切换也是个相对比较耗时的操作,所以在"java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要快。 可以使用Lmbench3测量上下文切换的时长 vmstat测量上下文切换次数

2.2 线程安全(死锁)

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 resource_a = "A";
    private static String resource_b = "B";

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

    public static void deadLock() {
        Thread threadA = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                synchronized (resource_a) {
                    System.out.println("get resource a");
                    try {
                        Thread.sleep(3000);
                        synchronized (resource_b) {
                            System.out.println("get resource b");
                        }
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        });
        Thread threadB = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                synchronized (resource_b) {
                    System.out.println("get resource b");
                    synchronized (resource_a) {
                        System.out.println("get resource a");
                    }
                }
            }
        });
        threadA.start();
        threadB.start();

    }
}
在上面的这个demo中,开启了两个线程threadA, threadB,其中threadA占用了resource_a, 并等待被threadB释放的resource _b。threadB占用了resource _b正在等待被threadA释放的resource _a。因此threadA,threadB出现线程安全的问题,形成死锁。同样可以通过jps,jstack证明这种推论:
"Thread-1":
  waiting to lock monitor 0x000000000b695360 (object 0x00000007d5ff53a8, a java.lang.String),
  which is held by "Thread-0"
"Thread-0":
  waiting to lock monitor 0x000000000b697c10 (object 0x00000007d5ff53d8, a java.lang.String),
  which is held by "Thread-1"

Java stack information for the threads listed above:
===================================================
"Thread-1":
        at learn.DeadLockDemo$2.run(DeadLockDemo.java:34)
        - waiting to lock <0x00000007d5ff53a8(a java.lang.String)
        - locked <0x00000007d5ff53d8(a java.lang.String)
        at java.lang.Thread.run(Thread.java:722)
"Thread-0":
        at learn.DeadLockDemo$1.run(DeadLockDemo.java:20)
        - waiting to lock <0x00000007d5ff53d8(a java.lang.String)
        - locked <0x00000007d5ff53a8(a java.lang.String)
        at java.lang.Thread.run(Thread.java:722)

Found 1 deadlock.

如上所述,完全可以看出当前死锁的情况。

那么,通常可以用如下方式避免死锁的情况:

  1. 避免一个线程同时获得多个锁;
  2. 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;
  3. 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;
  4. 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。

2.3 资源限制的挑战

  • 什么是资源限制

资源限制指在进行并发编程时,程序的执行速度受限于计算机硬件资源或软件资源。

硬件资源包括:带宽的上传下载速度、硬盘读写速度和CPU的处理速度等

软件资源包括:线程池大小、数据库的连接数等

  • 资源限制引发的问题

在并发编程中,代码执行速度加快的原则是将代码中的串行部分变成并行执行,但有可能由于资源限制问题,导致程序仍按串行执行,此时程序不仅不会变快,反而更慢,因为增加了上下文切换和资源调度的时间。

  • 如何解决资源限制的问题

对于硬件资源限制:考虑使用集群方式并行执行程序。

对于软件资源限制:考虑使用资源池将资源复用,例如数据库连接池等

  • 资源限制情况下进行并发编程

根据不同的资源限制调整程序的并发度。

3. 应该了解的概念

3.1 同步VS异步

同步和异步通常用来形容一次方法调用。同步方法调用一开始,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。比如,在超时购物,如果一件物品没了,你得等仓库人员跟你调货,直到仓库人员跟你把货物送过来,你才能继续去收银台付款,这就类似同步调用。而异步调用了,就像网购,你在网上付款下单后,什么事就不用管了,该干嘛就干嘛去了,当货物到达后你收到通知去取就好。

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,而使用多线程时,那么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,而成为并发执行任务。真正的并行也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

临界区用来表示一种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。

4.并发编程的三大特性

并发编程有三大特性:原子性、可见性、有序性。
原子性:是指在一次操作或多次操作中,要么所有的操作都得到执行,要么都不执行。【类似于事务】
  • JMM只保证了基本读取和赋值的原子性操作
  • 多个原子性操作的组合不再是原子性操
  • 可以使用synchronized/lock保证某些代码片段的原子性
  • 对于int等类型的自增操作,可以通过java.util.concurrent.atomic.*保证原子性

 

可见性:是指一个线程对共享变量进行了修改,其他线程可以立即看到修改后的值。
有序性:是指代码在执行过程中的先后顺序是有序的。【Java编译器会对代码进行优化,执行顺序可能与开发者编写的顺序不同(指令重排)】
并发编程时,保证三大特性的方式有三种:
1、使用volatile关键字修饰变量
  • 当一个变量被volatile关键字修饰时,对于共享变量的读操作会直接在主存中进行,对于共享变量的写操作是先修改本地内存,修改结束后直接刷到主存中。(未被volatile修饰的变量被修改后,什么时候最新值会被刷到主存中是不确定的)
2、使用synchronized关键字修饰方法或代码块
  • synchronized关键字能保证同一时刻只有一个线程获得锁然后执行同步方法,并且确保锁释放之前,会将修改的变量刷入主存。
3、使用JUC提供的显式锁Lock
  • Lock能保证同一时刻只有一个线程获得锁然后执行同步方法,并且确保锁释放之前,会将修改的变量刷入主存。

最后,本文主要对Java并发编程开发需要的知识点作了简单的讲解,这里每一个知识点都可以用一篇文章去讲解,由于篇幅原因不能对每一个知识点都详细介绍,我相信通过本文你会对Java的并发编程会有更近一步的了解。如果您发现还有缺漏或者有错误的地方,可以在评论区补充,谢谢。


作者:茶轴的青春,发布于:2019/08/13
原文:https://www.cnblogs.com/lfs2640666960/p/11345685.html