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Java并发编程的艺术之并发编程的挑

第1章并发编程的挑战

并发编程的目的是为了让程序运行的更快，但是并不是启动更多的线程，就能让程序最大限度的并发执行。在进行并发编程时，如果希望通过多线程执行任务让程序运行的更快，会面临非常多的挑战，比如上下文切换的问题，死锁的问题，以及受限于硬件和软件的资源限制问题，本章会介绍几种并发编程的挑战，以及解决方案。

1.1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通过不停的切换线程执行，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。所以任务的保存到再加载的过程就是一次上下文切换。

就像我们同时在读两本书，比如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，大脑必需首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到多线程的执行速度。

1.1.1多线程一定快吗？

下面的代码演示串行和并发执行累加操作的时间，请思考下面的代码并发执行一定比串行执行快些吗？

packagechapter01;/***并发和单线程执行测试*

authortengfei.fangtf*

version$Id:ConcurrencyTest.java,v0.-7-18下午10:03:31tengfei.fangtfExp$*/publicclassConcurrencyTest{/**执行次数*/privatestaticfinallongcount=l;publicstaticvoidmain(String[]args)throwsInterruptedException{//并发计算concurrency();//单线程计算serial();}privatestaticvoidconcurrency()throwsInterruptedException{longstart=System.currentTimeMillis();Threadthread=newThread(newRunnable(){

Overridepublicvoidrun(){inta=0;for(longi=0;icount;i++){a+=5;}System.out.println(a);}});thread.start();intb=0;for(longi=0;icount;i++){b--;}longtime=System.currentTimeMillis()-start;thread.join();System.out.println(concurrency:+time+ms,b=+b);}privatestaticvoidserial(){longstart=System.currentTimeMillis();inta=0;for(longi=0;icount;i++){a+=5;}intb=0;for(longi=0;icount;i++){b--;}longtime=System.currentTimeMillis()-start;System.out.println(serial:+time+ms,b=+b+,a=+a);}}

答案是不一定，测试结果如表1-1所示：

表1-1测试结果

循环次数串行执行耗时（单位ms）并发执行耗时并发比串行快多少1亿约1倍1千万约1倍1百万55差不多10万43慢1万01慢

从表1-1可以发现当并发执行累加操作不超过百万次时，速度会比串行执行累加操作要慢。那么为什么并发执行的速度还比串行慢呢？因为线程有创建和上下文切换的开销。

1.1.2测试上下文切换次数和时长

下面我们来看看有什么工具可以度量上下文切换带来的消耗。

使用Lmbench3[1]可以测量上下文切换的时长。

使用vmstat可以测量上下文切换的次数。

下面是利用vmstat测量上下文切换次数的示例。

$vmstat1procs-----------memory-------------swap-------io------system-------cpu-----rbswpdfreebuffcachesisobiboincsussyidwast0127868398008005901180180056711

CS（ContentSwitch）表示上下文切换的次数，从上面的测试结果中，我们可以看到其中上下文的每一秒钟切换多次。

1.1.3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、单线程编程和使用协程。

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，如将数据用ID进行Hash算法后分段，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。

1.1.4减少上下文切换实战

本节描述通过减少线上大量WAITING的线程，来减少上下文切换次数。

第一步：用jstack命令dump线程信息，看看pid是进程里的线程都在做什么。

sudo-uadmin/opt/ifeve/java/bin/jstack7gt;/home/tengfei.fangtf/dump17

第二步：统计下所有线程分别处于什么状态，发现多个线程处于WAITING(onobjectmonitor)状态。