[Java并發(fā)編程實戰(zhàn)]簡介

并發(fā)簡史

在早期不包含操作系統(tǒng)的計算機中，程序都是單一的串行程序，從頭至尾只能執(zhí)行一個程序，并且這個程序訪問這個計算機的所有資源。然而，隨著技術(shù)的發(fā)展，操作系統(tǒng)出現(xiàn)了。它使得計算機程序有了進程，線程的概念，每次可以運行多個程序，并且不同的程序都在單獨的進程中運行。操作系統(tǒng)為各個獨立執(zhí)行的進程分配各種資源，包括內(nèi)存，文件句柄，安全證書等。不同進程之間通過系統(tǒng)本身的通信機制來交換數(shù)據(jù)，如：套接字，信號處理器，共享內(nèi)存，信號量以及文件等。
操作系統(tǒng)支持多個程序同時執(zhí)行，原因主要有：

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  1. 資源利用率。如某個程序在等待一個耗時操作完成，那么在等待的同時可以運行另外一個程序，這樣可以提高資源利用率。

  2. 公平性。如通過時間片的方式讓程序輪流占用計算機資源，而不是由一個程序從頭至尾運行完，再進行下一個。

  3. 便利性。編寫多個程序來計算多個任務(wù)，必要時進行通信。比只編寫一個程序來計算所有任務(wù)更加容易實現(xiàn)。

串行編程模型優(yōu)勢在于直觀性和簡單性，每次只做一件事直至完成，然后再做另外一件。然而很多情況下，這個串行模型并不理想。打個比方，我們想燒水泡茶然后看書，以串行的工作方式，我們必須等到水燒開了把茶泡好，才能去看書。而現(xiàn)實生活中，完全可以燒水的過程先去看書，然后等待水燒開在去泡茶。這也引出了計算機應(yīng)用程序用，同步和異步的概念。正是這些原因，促使進程，線程的出現(xiàn)。

線程，也被稱為輕量級進程?，F(xiàn)在大多數(shù)操作系統(tǒng)中，都是以線程為基本的調(diào)度單位，而不是進程。一個進程可以創(chuàng)建多個線程，并且這些線程會共享進程范圍內(nèi)的資源。所以，多個線程如果沒有明確的協(xié)同機制，那么他們是獨立運行的。同樣，這些線程都可以訪問進程的變量，如果沒有明確的同步機制來協(xié)同對共享數(shù)據(jù)的訪問，那么當(dāng)一個線程正在使用某個變量時，另外一個線程可能同時訪問這個變量，造成不可預(yù)測的結(jié)果。但是，每個線程都有各自的計數(shù)器，棧以及局部變量等。

線程的優(yōu)勢

如果使用得當(dāng)，可以降低開發(fā)，維護成本，提升性能。線程還可以降低代碼復(fù)雜度，使得代碼更容易編寫，閱讀和維護。在GUI 程序中，可以提高界面的響應(yīng)速度；在服務(wù)端程序中，可以提升資源利用率和吞吐率。

  • 發(fā)揮多核處理器的強大能力。

  • 建模的簡單性。將復(fù)雜且異步的工作流分解到各個線程運行，在特定的同步位置進行交互。

  • 異步事件的簡化處理。某個線程的阻塞不影響其他線程的處理。

  • 響應(yīng)更靈敏的用戶界面。使用特定線程來處理耗時操作，而不是放在UI主線程中處理。比如 Android App 耗時事件不能在 UI 線程處理，會影響 UI 響應(yīng)的流暢度。

線程的風(fēng)險

Java 對線程的使用是一把雙刃劍。線程的優(yōu)勢我們都已經(jīng)知道，前提是我們能夠正確的編寫出安全的并發(fā)代碼。然而，由于開發(fā)人員的技術(shù)不足，并發(fā)潛在風(fēng)險的不易察覺，都有可能讓我們的程序達不到預(yù)期的效果。所以，我們有必要了解一下并發(fā)風(fēng)險這一方面的內(nèi)容。

安全性問題

多個線程的執(zhí)行順序，在沒有同步的情況下是不可預(yù)測的，甚至產(chǎn)生奇怪的結(jié)果。如下面這個序列生成類，多個線程同時獲取到的值可能是相同的。

1    public class UnsafeSequene{
2        private int value;
3        //返回一個唯一的數(shù)值
4        public int getNext(){
5            return value++;
6        }
7    }

遞增操作 value++，實際上他包含三個獨立的操作：

  1. 讀取 value 的值

  2. 將 value 加 1

  3. 將計算結(jié)果寫入 value
    由于多個線程之間的操作交替執(zhí)行，所以可能發(fā)生兩個線程讀到相同的值。如下圖所示的 A 線程和 B 線程： 
    [Java并發(fā)編程實戰(zhàn)] 簡介這里寫圖片描述
    上圖說明的是一種常見的并發(fā)安全問題，稱為競態(tài)條件（Race Condition）。由于多個線程共享相同的內(nèi)存地址空間，并且是并發(fā)運行，因此可能會訪問或修改其他線程正在使用的變量。這種方式比其他線程間通信機制更容易實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，但他同樣也帶來了巨大的風(fēng)險：線程由于無法預(yù)料數(shù)據(jù)的變化而發(fā)生錯誤。

幸運的是，Java 提供了各種同步機制來協(xié)同這種訪問。上面的示例代碼，把它改成一個同步方法，就可以防止這種錯誤的發(fā)生。

1public class UnsafeSequene{
2    private int value;
3    //返回一個唯一的數(shù)值
4    public synchronized int getNext(){
5        return value++;
6    }
7}

活躍性問題

安全性的含義是，永遠不發(fā)生糟糕的事情。活躍性是，某件正確的事情最終會發(fā)生。當(dāng)某個操作無法繼續(xù)執(zhí)行下去時，就會發(fā)生活躍性問題，比如程序代碼進入死循環(huán)。所線程導(dǎo)致的死鎖，也是活躍性問題，比如線程 A 在等待線程 B 釋放其持有的資源，而線程 B 永遠都不釋放改資源，那么，線程 A 就會永遠的等待下去。

性能問題

活躍性意味著某件正確的事情最終會發(fā)生，但卻不夠好。這就是性能問題，因為我們通常希望正確的事盡快發(fā)生。性能問題包括：服務(wù)時間過長，響應(yīng)不靈敏，吞吐率過低，資源消耗過高等。

良好的并發(fā)程序，線程能提高性能，但無論如何，總會帶來某種程度的運行時開銷。
1.線程調(diào)度臨時掛起活躍線程并轉(zhuǎn)而運行另一個線程時，就會頻繁的出現(xiàn)上下文切換，帶來極大的開銷：保存和恢復(fù)執(zhí)行上下文，CPU 時間更多的花在線程調(diào)度而不是線程運行上。
2.使用同步機制，往往會抑制某些編譯器優(yōu)化。

線程無處不在

即使在程序中沒有顯示的創(chuàng)建線程，但在框架中仍可能會創(chuàng)建線程，因此在這些線程中調(diào)用的代碼同樣必須是線程安全的。框架通過在框架線程中調(diào)用應(yīng)用程序代碼將并發(fā)性引入到程序中。在代碼中將不可避免地訪問應(yīng)用程序狀態(tài)，因此所有訪問這些狀態(tài)的代碼路徑都必須是線程安全的。

下面給出的模塊都將在應(yīng)用程序之外的線程中調(diào)用應(yīng)用程序的代碼。

  1. Timer

  2. Servlet 和 JavaServer Page

  3. 遠程調(diào)用方法

  4. Swing 和 AWT

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