【1】并发简介

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多线程.png

一.首先思考一个问题

有那些事情是可以同时做的:

  1. 唱、跳、RAP

    对与唱跳来说可以是一起的,换句话说是同时进行的 即在同一时刻有两件事在发生

  2. 一边吃饭、一边看电视

    对于吃饭和看电视,对于我来说,是用勺子挖一勺饭送到嘴里以后,在转去看电视,换一句话说是在一段时间内有2件事情在发生,应为吃饭和看电视都需要用到眼,先瞅一眼饭,在瞅一眼电视(其他人不要犟)

二.什么是并发编程呢?

并发:

  • 在程序设计的角度,希望通过某些机制让计算机可以在一个时间段内,执行多个任务。
  • 一个或多个物理 CPU 在多个程序之间多路复用,提高对计算机资源的利用率。
  • 任务数多余 CPU 的核数,通过操作系统的任务调度算法,实现多个任务一起执行。
  • 有多个线程在执行,计算机只有一个 CPU,不可能真正同时运行多个线程,操作系统只能把 CPU 运行时间划分成若干个时间段,再将时间段分配给各个线程执行,在一个时间段的线程代码运行时,其它线程处于挂起状。

并发(concurrent)指的是多个程序可以同时运行的现象,更细化的是多进程可以同时运行或者多指令可以同时运行。但这不是重点,在描述并发的时候也不会去扣这种字眼是否精确,==并发的重点在于它是一种现象==, ==并发描述的是多进程同时运行的现象==。但实际上,对于单核心 CPU 来说,同一时刻只能运行一个线程。所以,这里的"同时运行"表示的不是真的同一时刻有多个线程运行的现象,这是并行的概念,而是提供一种功能让用户看来多个程序同时运行起来了,但实际上这些程序中的进程不是一直霸占 CPU 的,而是执行一会停一会。

要解决大并发问题,通常是将大任务分解成多个小任务, 由于操作系统对进程的调度是随机的,所以切分成多个小任务后,可能会从任一小任务处执行。这可能会出现一些现象:

  • 可能出现一个小任务执行了多次,还没开始下个任务的情况。这时一般会采用 队列或类似的数据结构来存放各个小任务的成果
  • 可能出现还没准备好第一步就执行第二步的可能。这时,一般采用多路复用或异步的方式,比如只有准备好产生了事件通知才执行某个任务。
  • 可以多进程/多线程的方式并行执行这些小任务。也可以单进程/单线程执行这些小任务,这时很可能要配合多路复用才能达到较高的效率

并发编程:

  • 用编程语言编写让计算机可以在一个时间段内执行多个任务的程序。

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三.进程与线程

进程(Process) 是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动,是系统进行资源分配和调度的基本单位,是操作系统结构的基础。 在当代面向线程设计的计算机结构中,进程是线程的容器。程序是指令、数据及其组织形式的描述,进程是程序的实体。是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活 动,是系统进行资源分配和调度的基本单位,是操作系统结构的基础。程序是指令、数据及其组织形式的描述,进程是程序的实体。

线程(thread) 是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在进程之中,是进程中的实际运作单位。一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流,一个进程中可以并发多个线程,每条线程并行执行不同的任务。

总结来说:

进程:指在系统中正在运行的一个应用程序;程序一旦运行就是进程;进程——资源分配的最小单位。 线程:系统分配处理器时间资源的基本单元,或者说进程之内独立执行的一个单元执行流。线程——程序执行的最小单位。

四. 并发与并行

串行模式

串行表示所有任务都一一按先后顺序进行。串行意味着必须先装完一车柴才能运送这车柴,只有运送到了,才能卸下这车柴,并且只有完成了这整个三个步骤,才能进行下一个步骤。

串行是一次只能取得一个任务,并执行这个任务。

并行模式

并行意味着可以同时取得多个任务,并同时去执行所取得的这些任务。并行模式相当于将长长的一条队列,划分成了多条短队列,所以并行缩短了任务队列的长度。并行的效率从代码层次上强依赖于多进程/多线程代码,从硬件角度上则依赖于多核 CPU。

并发:同一时刻多个线程在访问同一个资源,多个线程对一个点

例子:春运抢票 电商秒杀...

并行:多项工作一起执行,之后再汇总

五.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)。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。

这就像我们同时读两本书,当我们在读一本英文的技术书时,发现某个单词不认 识,于是便打开中英文字典,但是在放下英文技术书之前,大脑必须先记住这本书读到 了多少页的第多少行,等查完单词之后,能够继续读这本书。这样的切换是会影响读书 效率的,同样上下文切换也会影响多线程的执行速度。

如何减少上下文切换

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。

⚫ 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。

⚫ 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。

六.非线程安全案例

public class ThreadUnsafeExample
{
    private int cnt = 0;
    public void add()
    {
        cnt++;
    }
    public int get()
    {
        return cnt;
    }
}

解析:对于ThreadUnsafeExample对象中的cnt属性 产生了(""与"")状态的改变