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Java并发编程(一):并行与并发

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同步和异步

  • 同步:发送一个请求,等待返回,然后再发送下一个请求。提交请求 -> 等待服务器处理 -> 处理完返回,此期间客户端浏览器不能干任何事
  • 异步:发送一个请求,不等待返回,随时可以再发送下一个请求。提交请求 -> 服务器处理(这时浏览器仍然可以作其他事情)-> 处理完毕

从上图可以知道,随着实时间的轨迹,同步一步一步的执行着,在异步中,当一个异步过程调用发出后,调用者不能立即得到结果,实际上会开启一个线程执行这部分内容,这个线程处理完了之后,通过状态,通知和回调来通知调用者来处理。

并发和并行

单核CPU(单处理器)上,只可能存在并发而不可能存在并行。 并行在多处理器系统中存在,而并发可以在单处理器和多处理器系统中都存在,并发能够在单处理器系统中存在是因为并发是并行的假象,并行要求程序能够同时执行多个操作,而并发只是要求程序假装同时执行多个操作(每个小时间片执行一个操作,多个操作快速切换执行。

临界区

临界区用来表示一种公共资源或者说是共享数据,可以被多个线程使用,但是每一次,只能有一个线程使用它,一旦临界去资源被占用,其他线程想要使用这个资源,就必须等待。

这就是我们编程中经常要加锁的地方,如 synchronized 关键字,或是 Lock 接口。

阻塞和非阻塞

  • 阻塞(Blocking)和非阻塞(Non-Blocking)通常用来形容多线程间的相互影响,比如一个线程占用临界区资源,那么其他所有需要这个资源的线程就必须在这个临界区中进行等待,等待会导致线程挂起,这种情况就是阻塞。如果占用资源的线程一直不愿意释放资源,那么其它所有阻塞在这个临界区上的线程都不能工作。
  • 非阻塞允许多个线程同时进入临界区。

死锁、饥饿、活锁

死锁: 指两个或两个以上的进程(或线程)在执行过程中,因争夺资源而造成的一种互相等待的现象,若无外力作用,它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁,这些永远在互相等待的进程称为死锁进程。

互斥条件:线程对资源的访问是排他性的,如果一个线程对占用了某资源,那么其他线程必须处于等待状态,直到资源被释放。 请求和保持条件:线程T1至少已经保持了一个资源R1占用,但又提出对另一个资源R2请求,而此时,资源R2被其他线程T2占用,于是该线程T1也必须等待,但又对自己保持的资源R1不释放。 不剥夺条件:线程已获得的资源,在未使用完之前,不能被其他线程剥夺,只能在使用完以后由自己释放。 环路等待条件:在死锁发生时,必然存在一个“进程-资源环形链”,即:{p0,p1,p2,…pn},进程p0(或线程)等待p1占用的资源,p1等待p2占用的资源,pn等待p0占用的资源。(最直观的理解是,p0等待p1占用的资源,而p1而在等待p0占用的资源,于是两个进程就相互等待

活锁: 指线程T1可以使用资源,但它很礼貌,让其他线程先使用资源,线程T2也可以使用资源,但它很绅士,也让其他线程先使用资源。这样你让我,我让你,最后两个线程都无法使用资源。

在街上遇到一妹子,刚好她朝着你的反方向走,与你正面碰到,你们都想让彼此过去。你往左边移,她也往左边移,两人还是无法过去。这时你往右边移,她也往右边移,如此循环下去。

饥饿: 指如果线程T1占用了资源R,线程T2又请求封锁R,于是T2等待。T3也请求资源R,当T1释放了R上的封锁后,系统首先批准了T3的请求,T2仍然等待。然后T4又请求封锁R,当T3释放了R上的封锁之后,系统又批准了T4的请求……,T2可能永远等待。

有两条道A和B上都堵满了车辆,其中A道堵的时间最长,B相对相对堵的时间较短,这时,前面道路已疏通,交警按照最佳分配原则,示意B道上车辆先过,B道路上过了一辆又一辆,A道上排队时间最长的确没法通过,只能等B道上没有车辆通过的时候再等交警发指令让A道依次通过,这也就是 ReentrantLock 显示锁里提供的不公平锁机制(当然了,ReentrantLock 也提供了公平锁的机制,由用户根据具体的使用场景而决定到底使用哪种锁策略),不公平锁能够提高吞吐量但不可避免的会造成某些线程的饥饿。

并发级别

分为 阻塞非阻塞(非阻塞分为无障碍无锁无等待

阻塞:

当一个线程进入临界区后,其他线程必须等待

无障碍:

  • 无障碍是一种最弱的非阻塞调度
  • 可自由出入临界区
  • 无竞争时,有限步内完成操作
  • 有竞争时,回滚数据

和非阻塞调度相比呢,阻塞调度是一种悲观的策略,它会认为说一起修改数据是很有可能把数据改坏的。而非阻塞调度呢,是一种乐观的策略,它认为大家修改数据未必把数据改坏。 但是它是一种 宽进严出 的策略,当它发现一个进程在临界区内发生了数据竞争,产生了冲突,那么无障碍的调度方式则会回滚这条数据。

在这个无障碍的调度方式当中,所有的线程都相当于在拿去一个系统当前的一个快照。他们一直会尝试拿去的快照是有效的为止。

无锁:

  • 是无障碍的
  • 保证有一个线程可以胜出

与无障碍相比,无障碍并不保证有竞争时一定能完成操作,因为如果它发现每次操作都会产生冲突,那它则会不停地尝试。如果临界区内的线程互相干扰,则会导致所有的线程会卡死在临界区,那么系统性能则会有很大的影响。

而无锁增加了一个新的条件,保证每次竞争有一个线程可以胜出,则解决了无障碍的问题。至少保证了所有线程都顺利执行下去。

下面代码是Java中典型的无锁计算代码

while (!atomicVar.compareAndSet(localVar, localVar+1)) { 
    localVar = atomicVar.get(); 
}

无等待:

  • 无锁的
  • 要求所有的线程都必须在有限步内完成
  • 无饥饿的

无等待的前提是无锁的基础上的,无锁它只保证了临界区肯定有进也有出,但是如果进的优先级都很高,那么临界区内的某些优先级低的线程可能发生饥饿,一直出不了临界区。那么无等待解决了这个问题,它保证所有的线程都必须在有限步内完成,自然是无饥饿的。

无等待是并行的最高级别,它能使这个系统达到最优状态。无等待的典型案例:只有读线程,没有写线程,那么这个则必然是无等待的。 如果既有读线程又有写线程,而每个写线程之前,都把数据拷贝一份副本,然后修改这个副本,而不是修改原始数据,因为修改副本,则没有冲突,那么这个修改的过程也是无等待的。最后需要做同步的只是将写完的数据覆盖原始数据。由于无等待要求比较高,实现起来比较困难,所以无锁使用得会更加广泛一些。

关于并行的2个重要定律

两个定律都与加速比有关

阿姆达尔定律

Amdahl定律(阿姆达尔定律):定义了串行系统并行化后的加速比的计算公式和理论上限(加速比=优化前系统耗时/优化后系统耗时)

一个程序(或者一个算法)可以按照 是否可以被并行化 分为下面两个部分:

  • 可以被并行化的部分
  • 不可以被并行化的部

假设一个程序处理磁盘上的文件。这个程序的一小部分用来扫描路径和在内存中创建文件目录。做完这些后,每个文件交个一个单独的线程去处理。扫描路径和创建文件目录的部分不可以被并行化,不过处理文件的过程可以。

增加CPU处理器的数量并不一定能起到有效的作用,提高系统内可并行化的模块比重,合理增加并行处理器数量,才能以最小的投入,得到最大的加速比

古斯塔夫森定律

Gustafson定律(古斯塔夫森):说明处理器个数,串行比例和加速比之间的关系

只要有足够的并行化,那么加速比和CPU个数成正比

参考文献

https://my.oschina.net/hosee/blog/597934

https://wangchangchung.github.io/2017/06/13/Java并发/

 

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