并发编程系列之并发编程的认识

前言

今天我们开始接触并发编程的讲解，首先我们要知道并发编程的目的是什么？一个目的，为了让程序员运行的更快，但是有一点我们要知道，并不是启动越多的线程就能让程序更大限度的并发执行，在并发编程的开发中，如果希望使用更多的线程来加快程序的运行，一般我们会面临下面几种挑战：上下文切换问题，死锁、以及受硬件和软件资源的限制问题，那么我们一个个来说下吧，让我们开始今天的并发编程之旅吧。

上下文切换

什么是上下文切换？

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分配给每个线程的时间，因为时间片很短，所以CPU通过不断的切换线程执行，给用户感官上造成多线程执行的状态。

CPU通过时间分配算法来执行任务，当前任务执行一个时间片后，就会切换到下个任务，此时，会保存切换前上个任务的状态，目的是下次切换回这个任务时，可以继续加载该任务的状态，我们把任务从保存到再加载的这个过程就称为是一次上下文切换。

多线程一定比单线程快？

答案是否定的，多线程环境下，因为线程有创建和上下文切换的时间开销，所以，多线程并不一定比单线程快；只能说在有限的资源环境下，线程数量达到某个值之前会比单线程处理速度快，超过这个值速度就会下降，甚至比单线程速度低，如下图：

如何减少上下文切换？

减少上下文切换主要有如下几种方式：

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，可以用一些方法避免使用锁，如将任务的编号按照Hash取模分段，不同线程处理不同段的任务，即将任务或者数据分块处理，各个线程处理独立的块；

CAS算法：Java提供Atomic包使用CAS算法更新数据，取代加锁；

使用最少线程：避免创建不需要的线程，如少量任务时创建大量线程，就会造成大部分线程处于等待状态，减少等待线程的创建；

协程：单线程环境下，实现多任务调度，并维持多个任务之间的切换；

死锁

死锁最常见的就是两个线程之间相互持有对方的锁，都在等待对方释放，而造成死锁，使得两个线程一直处于等待状态，因此我们应该要避免这样的场景出现，主要可以从下面几个方面考虑：

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，使得锁能得到一个释放（由tryLock实现）

对于数据库锁，加锁和解锁必须在一个数据库连接中，否则会出现解锁失败的情况

资源限制

什么是资源限制？

资源限制指的是在进行并发编程时，程序的执行速度受限于计算机硬件资源和软件资源；

硬件资源主要包括：带宽的上传/下载速度、硬盘的读写速度和CPU的处理速度

软件资源主要包括：数据库的连接数和socket连接数等

资源限制引发的问题？

并发编程中通过将串行执行的代码改为并发执行来加快处理速度，但是如果将某段代码改为并发执行之后，由于受到资源限制，代码本质上仍然在串行执行，那么由于增加了上下文切换和资源调度的时间，程序的速度不仅不会加快，反正更慢。

如何解决资源限制问题？

硬件资源受限：可以考虑使用集群并发执行程序

软件资源受限：可以考虑使用资源池将资源复用，最大化利用资源

今天的内容只是个引言，后续我们会详细讲解并发编程细节，感谢关注，本文参考《并发编程的艺术》