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并發(fā)編程 - 探索一

pcChao / 2995人閱讀

摘要：并發(fā)表示在一段時間內(nèi)有多個動作存在。并發(fā)帶來的問題在享受并發(fā)編程帶來的高性能高吞吐量的同時，也會因為并發(fā)編程帶來一些意想不到弊端。并發(fā)過程中多線程之間的切換調(diào)度，上下文的保存恢復(fù)等都會帶來額外的線程切換開銷。

0x01 什么是并發(fā)

要理解并發(fā)首選我們來區(qū)分下并發(fā)和并行的概念。

并發(fā)：表示在一段時間內(nèi)有多個動作存在。 
并行：表示在同一時間點有多個動作同時存在。

例如：
此刻我正在寫博客，但是我寫著寫著停下來吃一下東西（菠蘿片）再寫、再吃。這兩個動作在一段時間內(nèi)都在發(fā)生著，這可以理解為并發(fā)。
另一方面我在寫這個博客的同時我在聽音樂。那么同時存在的兩個動作（寫博客、聽音樂）是同時在發(fā)生的這就是所謂的并行。

從上面兩個概念明顯可以感受到并發(fā)是包含并行操作。所以我們通常說的并發(fā)編程對于cpu來說有可能是并發(fā)的在執(zhí)行也有可能是交替的在執(zhí)行。

說到這里你可能會問為什么我們需要并發(fā)編程？
在求解單個問題的時候凡是涉及多個執(zhí)行流程的編程模式都叫并發(fā)編程。

0x02 為什么需要并發(fā)

硬件的發(fā)展推動軟件的進度，多核時代的到來

應(yīng)用系統(tǒng)對性能和吞吐量的苛刻要求

大數(shù)據(jù)時代的到來

移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算對計算體系的沖擊

0x03 并發(fā)編程方式

Java：多進程/多線程的并發(fā)實現(xiàn)方式

Go：協(xié)程--用戶態(tài)實現(xiàn)的多線程方式（goroutine）

Java并發(fā)模型

在介紹java并發(fā)模型前我們來介紹下系統(tǒng)對多線程的實現(xiàn)方式。系統(tǒng)支持用戶態(tài)線程和內(nèi)核態(tài)兩種線程的實現(xiàn)方式，內(nèi)核態(tài)線程是cpu去調(diào)度的最小單位，所以這牽涉到用戶態(tài)線程和內(nèi)核態(tài)線程之間的映射關(guān)系，用戶態(tài)線程：內(nèi)核態(tài)線程 = 1:1 、 N:1 、 M:N。

1:1 這種映射關(guān)系充分利用多核的優(yōu)勢，但是這種方式在用戶態(tài)進行線程切換的過程中都會涉及到內(nèi)核態(tài)線程之間的切換，切換開銷大。（主要涉及內(nèi)核線程運行時上下文的保存與恢復(fù)）
N:1 沒法充分利用多核的優(yōu)勢，但是這種由于是用戶態(tài)的內(nèi)存切換不涉及內(nèi)核態(tài)線程之間的切換所以這種映射關(guān)系在線程之間切換代價小。
M:N 這種是上面兩種映射關(guān)系的結(jié)合體，集合了上面兩種映射關(guān)系的優(yōu)勢，但是這也增加了線程之間這種映射關(guān)系的調(diào)度復(fù)雜度。

Java的并發(fā)編程模式是通過1:1這種映射關(guān)系來實現(xiàn)線程之間的并發(fā)調(diào)度。

Go并發(fā)模型

Go的并發(fā)模式是通過M:N這種方式來實現(xiàn)并發(fā)調(diào)度的。
Go調(diào)度器中有三種重要結(jié)構(gòu)：M（posix thread）、P（調(diào)度上下文，一般數(shù)量設(shè)置為和機器內(nèi)核數(shù)相同，這樣能充分發(fā)揮機器的并發(fā)性能）、G（goroutine）。

一個調(diào)度上下文可以包含多個Goroutine，多個上下文所以可以所有的Goroutine都能并發(fā)的運行在CPU的多核上面。
如果有Goroutine發(fā)現(xiàn)找不到調(diào)度上下文，就會被放到global runqueue中，等清閑的調(diào)度上下文來撈取它進行調(diào)度。
如果調(diào)度上下文上面掛載的所有Goroutine都已經(jīng)執(zhí)行完畢，此時他會去global runqueue中獲取Goroutine，如果發(fā)現(xiàn)此時沒有獲取到，則會去別的調(diào)度上文中搶Goroutine，一般一次搶都是搶此時被搶調(diào)度上下文的一半Goroutine，確保充分利用M去被多核調(diào)度。

0x04 并發(fā)帶來的問題

在享受并發(fā)編程帶來的高性能、高吞吐量的同時，也會因為并發(fā)編程帶來一些意想不到弊端。

資源的消耗，要管理這么多用戶線程、內(nèi)核線程、用戶線程內(nèi)核線程之間的切換調(diào)度，上下文等等這些都是由于引用了并發(fā)編程所帶來的額外消耗。

并發(fā)過程中多線程之間的切換調(diào)度，上下文的保存恢復(fù)等都會帶來額外的線程切換開銷。

編碼、測試的復(fù)雜性。和我們生活中的例子很相像，三五個人一起出去活動很容易把控，如果帶著幾十、上百人的團隊出去活動這些都會帶來額外的管理上的開銷。

真的是有陽關(guān)的地方就有黑暗??！

上面這些都是我們沒法避免的一些問題，要引用并發(fā)編程必然會要付出點額外的代價才行。但是并發(fā)編程還帶來了一個不能忽視的問題，線程之間對同一資源的競爭訪問，造成內(nèi)存對象狀態(tài)和自己的想象千差萬別。

Java線程和內(nèi)存對象之間的交互

java線程對內(nèi)存的理解分為兩部分：線程工作內(nèi)存（每個線程獨有的）、共享內(nèi)存也叫主內(nèi)存（所有的線程所共有的），下面是java線程對內(nèi)存中Count對象的一次修改操作。

從主線程中讀取Count對象放入線程工作內(nèi)存，后面的讀取修改都在線程工作內(nèi)存中，最后（更新到主內(nèi)存的時間不是確定的，可能會插入別的操作在store、write之間）更新到主內(nèi)存中。所有的上述操作都是順序執(zhí)行的，但是不保證連續(xù)執(zhí)行。

volatile變量、synchronized同步塊

volatile變量、synchronized塊執(zhí)行結(jié)束后能保證每次去更新的值都會立即寫入到主內(nèi)存中。
volatile變量很多人會認為這樣就是線程安全的，但是通過上面我們可以看到如果兩個線程同時去讀了一個volatile變量，最后一前一后更新到主內(nèi)存中，這樣也會出現(xiàn)寫丟失的情況，所以volatile不能保證線程安全。

0x05 并發(fā)實戰(zhàn)

1) 定義線程池

private static final ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(20);

2)定義并發(fā)服務(wù)

CompletionService completionService = new 
      ExecutorCompletionService(executor);

3)提交并發(fā)任務(wù)

completionService.submit(new Callable() {
    @Override
    public void call() throws Exception {
        return ；
    }
});

4)等待并發(fā)結(jié)果

for (int i = 0; i < taskSize; ++i) {
    Future future = completionService.poll(TIME_OUT,
                    TimeUnit.SECONDS);
    Result result = future.get();
}

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