并發(fā)編程旨在通過多線程執(zhí)行任務(wù)來提高程序的運行效率，但實現(xiàn)并發(fā)并不總是能帶來預(yù)期的速度提升。多線程的執(zhí)行效率受到多個因素的影響，主要包括上下文切換、死鎖和硬件/軟件資源限制等問題。本章介紹了這些挑戰(zhàn)以及相應(yīng)的解決方案。

1.1上下文切換

（1）上下文切換的概念

• 定義：上下文切換是指CPU在不同線程之間切換執(zhí)行時，需要保存當前線程的狀態(tài)，并加載下一個線程的狀態(tài)。

• 原理：單核處理器通過時間片（幾十毫秒）分配CPU時間，使得多個線程看起來像是并行執(zhí)行的。上下文切換會帶來性能開銷，因為每次切換都需要保存和恢復(fù)線程的上下文。

  例子：通過讀兩本書來類比，類似于在讀一本英文技術(shù)書時，每次查字典時都需要記住當前進度并切換任務(wù)，這種切換會影響效率。

（2）多線程一定比單線程快嗎？

• 測試代碼：比較并發(fā)和串行執(zhí)行相同的累加任務(wù)的時間。

public class ConcurrencyTest {private static final long count = 10000l;public static void main(String[] args) throws InterruptedException {concurrency();serial();}private static void concurrency() throws InterruptedException {long start = System.currentTimeMillis();Thread thread = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {int a = 0;for (long i = 0; i < count; i++) {a += 5;}}});thread.start();int b = 0;for (long i = 0; i < count; i++) {b--;}long time = System.currentTimeMillis() - start;thread.join();System.out.println("concurrency :" + time+"ms,b="+b);}private static void serial() {long start = System.currentTimeMillis();int a = 0;for (long i = 0; i < count; i++) {a += 5;}int b = 0;for (long i = 0; i < count; i++) {b--;}long time = System.currentTimeMillis() - start;System.out.println("serial:" + time+"ms,b="+b+",a="+a);}
}

測試結(jié)果：

• 結(jié)論：并發(fā)執(zhí)行不一定比串行快，特別是任務(wù)次數(shù)較少時。原因是線程的創(chuàng)建和上下文切換的開銷。測試表明，當任務(wù)量不夠大時，線程的管理和切換反而可能讓程序變慢。

（3）測量上下文切換

• 使用工具：

  • Lmbench3：測量上下文切換的時長。
  • vmstat：測量上下文切換的次數(shù)。

  示例命令：

  vmstat 1
  

輸出中的 CS（Context Switches）表示每秒的上下文切換次數(shù)。

如何減少上下文切換

解決方案：

1. 無鎖并發(fā)編程：避免鎖競爭，減少上下文切換。通過設(shè)計合適的數(shù)據(jù)分割和線程劃分，減少鎖的使用。
2. CAS（Compare And Swap）算法：Java的Atomic包通過CAS實現(xiàn)無鎖的并發(fā)操作。
3. 使用最少的線程：避免創(chuàng)建不必要的線程，避免過多線程造成的上下文切換。
4. 協(xié)程：通過協(xié)程在單線程中實現(xiàn)任務(wù)切換，從而避免多線程的上下文切換開銷。

1.2 死鎖

（1）死鎖的定義

• 死鎖是指兩個或多個線程互相等待對方釋放鎖，從而導(dǎo)致無法繼續(xù)執(zhí)行。

  示例代碼：

  public class DeadLockDemo {private static String A = "A";private static String B = "B";public static void main(String[] args) {new DeadLockDemo().deadLock();}private void deadLock() {Thread t1 = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {synchronized (A) {try { Thread.sleep(2000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }synchronized (B) {System.out.println("1");}}}});Thread t2 = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {synchronized (B) {synchronized (A) {System.out.println("2");}}}});t1.start();t2.start();}
  }

代碼中的Thread-1和Thread-2相互等待對方的鎖，造成死鎖。

（2）死鎖產(chǎn)生的四個必要條件

• 互斥（Mutual Exclusion）：資源只能被一個線程或進程占有，且其他線程或進程必須等待。例如，一個線程占用某個鎖，其他線程就無法訪問該資源，直到鎖被釋放。
• 占有且等待（Hold and Wait）：線程或進程已經(jīng)持有某些資源，同時又請求其他資源，而這些資源當前被其他線程或進程占用。
• 不可剝奪（No Preemption）：已經(jīng)分配給線程或進程的資源，在沒有釋放之前不能被其他線程或進程強行搶占。只有線程或進程自己釋放資源，其他線程才能獲得資源。
• 循環(huán)等待（Circular Wait）：存在一個資源的等待鏈，其中每個線程或進程都在等待下一個線程或進程所持有的資源，形成一個閉環(huán)。

（2）死鎖的解決方法

• 破壞循環(huán)等待條件
  資源的順序分配：最常見的解決方法是對資源加鎖時，按照一定的順序來申請資源，避免出現(xiàn)循環(huán)等待。例如，為每個資源分配一個唯一的編號，然后線程總是按照資源編號的順序來申請資源。如果線程按順序申請資源，就不會出現(xiàn)循環(huán)等待的情況。
• 破壞占有且等待條件
  一次性申請所有資源：要求線程在執(zhí)行時一次性申請它需要的所有資源，而不是在持有一部分資源時，再去申請其他資源。這樣可以避免線程在持有部分資源的同時等待其他資源，從而避免占有且等待條件。
• 破壞非搶占條件
  搶占資源：當線程申請資源失敗時，系統(tǒng)可以強制剝奪線程持有的資源并將其返回給資源池。被搶占的線程可以在稍后重新嘗試獲取資源。這種方法通過破壞非搶占條件來避免死鎖。
• 破壞互斥條件
  使用共享資源：通過將資源的互斥性降低，即允許多個線程共享資源，來避免死鎖。比如，對于讀寫操作，可以使用 讀寫鎖，使得多個線程可以同時讀取共享資源，但寫操作仍然是獨占的。此方法只適用于資源可以共享的場景，通常是讀取操作較多的情況。
• 銀行家算法
  詳情可見 銀行家算法：死鎖避免的經(jīng)典策略

1.3 資源限制的挑戰(zhàn)

（1）資源限制的定義

資源限制是指硬件或軟件資源（如帶寬、CPU、內(nèi)存、數(shù)據(jù)庫連接數(shù)等）的限制，可能會影響程序并發(fā)執(zhí)行的效果。資源限制可能導(dǎo)致并發(fā)執(zhí)行時，程序反而執(zhí)行更慢。

（2）資源限制引發(fā)的問題

• 如果并發(fā)的代碼段依賴于硬件或軟件資源，過多的線程會使得程序反而變慢。例如：
  • 帶寬限制：如果有多個線程同時下載文件，而帶寬有限，線程多了反而會因為等待帶寬而導(dǎo)致執(zhí)行時間變長。
  • 數(shù)據(jù)庫連接數(shù)限制：如果數(shù)據(jù)庫的連接數(shù)有限，而線程數(shù)過多，則會因為線程被阻塞等待連接，導(dǎo)致程序性能下降。

（3）解決資源限制的方法

• 硬件資源限制：使用集群并行執(zhí)行任務(wù)，分布式計算框架如Hadoop、ODPS等可以有效利用多臺機器的資源。
• 軟件資源限制：使用資源池技術(shù)，復(fù)用數(shù)據(jù)庫連接池或Socket連接池。

（4）在資源限制下的并發(fā)編程

根據(jù)資源限制調(diào)整并發(fā)度。例如，在文件下載程序中，既依賴帶寬又依賴硬盤讀寫速度。如果帶寬有限，增加過多線程不會加速下載，反而可能導(dǎo)致過度的上下文切換，增加執(zhí)行時間。