第一章 并发编程的挑战

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上下文切换

定义

时间片: 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（ms）。

上下文切换：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。

如何测试上下文切换次数和时长

两个工具:

• Lmbench3测试时长
• vmstat测试次数

如何减少上下文切换

• 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。
• 使用协程：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。

减少上下文切换实战

第一步 jstat <pid> 将线程状态dump下来

第二步 查看dump文件线程状态

grep java.lang.Thread.State <dump文件名> | awk '{print 35}' | sort | uniq -c

第三步 打开dump文件查看处于WAITING的线程在做什么

死锁

定义

指两个或两个以上的进程在执行过程中，由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。

示例代码

package DeadLock;

public class TestDeadLock {

    private static Object object1 = new Object();
    private static Object object2 = new Object();

    public static void main(String[] args) {

        Thread thread1 = new Thread(new ThreadA(false));
        Thread thread2 = new Thread(new ThreadA(true));

        thread1.start();
        thread2.start();

    }

    static class ThreadA implements Runnable {

        private boolean flag;

        public ThreadA(boolean flag) {
            this.flag = flag;
        }

        @Override
        public void run() {
            if (flag){
                synchronized (object1){
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取Object1的锁");
                    try {
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    synchronized (object2){
                        System.out.println("1秒钟后，"+Thread.currentThread().getName()
                                + "锁住obj2");
                    }
                }
            }else {
                synchronized (object2){
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取Object2的锁");
                    try {
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    synchronized (object1){
                        System.out.println("1秒钟后，"+Thread.currentThread().getName()
                                + "锁住obj1");
                    }
                }
            }
        }
    }

}

如何检测

可以用jstat检测死锁

如何避免

• 避免一个线程同时获取多个锁。
• 避免一个线程在锁内同时占用多个资源，尽量保证每个锁只占用一个资源。
• 尝试使用定时锁，使用lock.tryLock（timeout）来替代使用内部锁机制。
• 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。

资源限制的挑战

定义

是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。

问题的产生

在并发编程中，将代码执行速度加快的原则是将代码中串行执行的部分变成并发执行，但是如果将某段串行的代码并发执行，因为受限于资源，仍然在串行执行，这时候程序不仅不会加快执行，反而会更慢，因为增加了上下文切换和资源调度的时间。

如何解决

• 硬件限制：可以考虑使用集群并行执行程序。
• 软件限制：可以考虑使用资源池将资源复用。

在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，比如下载文件程序依赖于两个资源——带宽和硬盘读写速度。