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一、前言
俗话说的好，学好数理化，走遍天下都不怕。也就是说总有一些基础中的基础，学好了这些就可以起到事半功倍的效果
二、线程基础
2.1 CPU时间片
CPU时间片是操作系统中一个重要概念，它指的是操作系统分配给每个进程在CPU上执行的时间长度。
在多任务处理系统中，CPU时间片用于实现多进程之间的轮转调度，确保每个进程都有机会执行并且不会长时间占用CPU。
CPU分配给各个线程/进程的时间片非常短，CPU通过不停地切换线程/进程执行(而这种切换如果太多会严重影响多线程程序的执行效率)，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）
2.2 减少上下文切换
既然多线程上下文切换，会消耗导致程序执行效率降低，那么如何减少切换呢？
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。
1. 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D按照Hsh算法取模分段，不同的线程处理不同段的数据。
2. CAS算法
Java的Atomic包使用CAS算法来更新数据，而不需要加锁。
在x86架构下，底层通常使用CMPXCHG指令来实现CAS操作。以下是在x86汇编中简单示例：
lock cmpxchg [destination], register
-
lock: 这个前缀指示CMPXCHG操作是原子的，即在执行期间不会被中断。 -
cmpxchg: 比较目标内存位置的值和寄存器中的值，如果相等则将寄存器中的值写入目标内存位置，否则不执行任何操作。 -
[destination]: 是要操作的目标内存位置。 -
register: 是一个寄存器，用来存放要写入目标内存位置的值。
在实际执行时，CPU会比较目标内存地址中的值和寄存器的值，如果相等，则将寄存器的值写入目标内存地址，并返回成功。否则不进行写入操作，返回失败。整个过程是原子的，不会被其他线程的操作打断。
3. 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。
4. 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。
2.3 死锁
死锁是指两个或多个进程（或线程）相互等待对方持有的资源，导致它们都无法继续执行的情况。在死锁状态下，没有任何一个进程能够继续执行，系统变得无响应。
public class DeadlockExample {
private static final Object lock1 = new Object();
private static final Object lock2 = new Object();
public static void main(String[] args) {
Thread thread1 = new Thread(() -> {
synchronized (lock1) {
System.out.println("Thread 1: Holding lock 1...");
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {}
System.out.println("Thread 1: Waiting for lock 2...");
synchronized (lock2) {
System.out.println("Thread 1: Holding lock 1 and lock 2...");
}
}
});
Thread thread2 = new Thread(() -> {
synchronized (lock2) {
System.out.println("Thread 2: Holding lock 2...");
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {}
System.out.println("Thread 2: Waiting for lock 1...");
synchronized (lock1) {
System.out.println("Thread 2: Holding lock 1 and lock 2...");
}
}
});
thread1.start();
thread2.start();
}
}
如何避免死锁
1. 避免一个线程同时获取多个锁。
2. 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。
3. 尝试使用定时锁，使用lock.tryLock(timeout)来替代使用内部锁机制。
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。
2.4 资源限制
这里的资源限制包括硬件资源限制和软件资源限制。在进行多线程编程时，要考虑资源限制。
举个例子：某机器的宽带只有 1Mb/s,某资源下载速度为 500KB/s，你用 10个线程，下载速度也不会变成 5000KB/s，最多为 1Mb/s。
另外，如果将代码改成多线程，但由于资源限制，导致其仍然以单线程方式执行，那这个程序会更慢，因为相比于单线程，增加了上下文切换和资源调度的时间。这一点需要额外注意！
三、其他
3.1 CPU时间片优势
虽然线程或进程切换会消耗一定的时间和资源，但使用CPU时间片的方式有一些重要的原因和优势，以确保系统能够高效地运行和满足多任务处理的需求：
- 公平性和资源共享：使用时间片可以确保系统中的每个线程或进程都能够获得公平的CPU时间，并避免其中一个线程长时间独占 CPU 而导致其他任务得不到执行的情况。
- 多任务处理：时间片允许操作系统在不同的线程或进程之间进行切换，从而实现多任务处理。这种方式使得多个任务能够交替执行，提高系统的并发性能。
- 响应速度：通过时间片轮转，每个线程都有机会获得 CPU 时间，这有助于系统快速响应用户操作和事件，提高系统的整体响应速度。
- 资源利用率：通过合理设置时间片长度和调度算法，可以有效利用 CPU 资源，确保 CPU 在每个时间片内都被充分利用。
- 避免饥饿现象：使用时间片可以防止某些线程长时间无法获取 CPU 资源而产生饥饿现象，保证系统的公平性和稳定性。 尽管线程或进程的切换会有一定的开销，但通过合理优化调度算法和提高上下文切换效率等方式，可以尽量减少这种开销，从而确保系统在提供公平性、多任务处理、快速响应等方面具有较高的效率和性能。因此，CPU 时间片机制仍然是一种非常有效的多任务处理方式，被广泛应用于操作系统中。
四、总结
多线程编程在提高系统性能和并发性方面具有重要作用，但也面临着一些挑战，如上下文切换的开销、死锁的风险和资源限制等。通过合理使用CPU时间片、减少上下文切换、避免死锁和考虑资源限制，可以提高多线程编程的效率和稳定性。
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