Java并发编程——上下文切换、死锁、资源限制

并发编程旨在通过多线程执行任务来提高程序的运行效率，但实现并发并不总是能带来预期的速度提升。多线程的执行效率受到多个因素的影响，主要包括上下文切换、死锁和硬件/软件资源限制等问题。本章介绍了这些挑战以及相应的解决方案。

1.1上下文切换

（1）上下文切换的概念

• 定义：上下文切换是指CPU在不同线程之间切换执行时，需要保存当前线程的状态，并加载下一个线程的状态。

• 原理：单核处理器通过时间片（几十毫秒）分配CPU时间，使得多个线程看起来像是并行执行的。上下文切换会带来性能开销，因为每次切换都需要保存和恢复线程的上下文。

  例子：通过读两本书来类比，类似于在读一本英文技术书时，每次查字典时都需要记住当前进度并切换任务，这种切换会影响效率。

（2）多线程一定比单线程快吗？

• 测试代码：比较并发和串行执行相同的累加任务的时间。

public class ConcurrencyTest {private static final long count = 10000l;public static void main(String[] args) throws InterruptedException {concurrency();serial();}private static void concurrency() throws InterruptedException {long start = System.currentTimeMillis();Thread thread = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {int a = 0;for (long i = 0; i < count; i++) {a += 5;}}});thread.start();int b = 0;for (long i = 0; i < count; i++) {b--;}long time = System.currentTimeMillis() - start;thread.join();System.out.println("concurrency :" + time+"ms,b="+b);}private static void serial() {long start = System.currentTimeMillis();int a = 0;for (long i = 0; i < count; i++) {a += 5;}int b = 0;for (long i = 0; i < count; i++) {b--;}long time = System.currentTimeMillis() - start;System.out.println("serial:" + time+"ms,b="+b+",a="+a);}
}

测试结果：

• 结论：并发执行不一定比串行快，特别是任务次数较少时。原因是线程的创建和上下文切换的开销。测试表明，当任务量不够大时，线程的管理和切换反而可能让程序变慢。

（3）测量上下文切换

• 使用工具：

  • Lmbench3：测量上下文切换的时长。
  • vmstat：测量上下文切换的次数。

  示例命令：

  vmstat 1
  

输出中的 CS（Context Switches）表示每秒的上下文切换次数。

如何减少上下文切换

解决方案：

1. 无锁并发编程：避免锁竞争，减少上下文切换。通过设计合适的数据分割和线程划分，减少锁的使用。
2. CAS（Compare And Swap）算法：Java的Atomic包通过CAS实现无锁的并发操作。
3. 使用最少的线程：避免创建不必要的线程，避免过多线程造成的上下文切换。
4. 协程：通过协程在单线程中实现任务切换，从而避免多线程的上下文切换开销。

1.2 死锁

（1）死锁的定义

• 死锁是指两个或多个线程互相等待对方释放锁，从而导致无法继续执行。

  示例代码：

  public class DeadLockDemo {private static String A = "A";private static String B = "B";public static void main(String[] args) {new DeadLockDemo().deadLock();}private void deadLock() {Thread t1 = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {synchronized (A) {try { Thread.sleep(2000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }synchronized (B) {System.out.println("1");}}}});Thread t2 = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {synchronized (B) {synchronized (A) {System.out.println("2");}}}});t1.start();t2.start();}
  }

代码中的Thread-1和Thread-2相互等待对方的锁，造成死锁。

（2）死锁产生的四个必要条件

• 互斥（Mutual Exclusion）：资源只能被一个线程或进程占有，且其他线程或进程必须等待。例如，一个线程占用某个锁，其他线程就无法访问该资源，直到锁被释放。
• 占有且等待（Hold and Wait）：线程或进程已经持有某些资源，同时又请求其他资源，而这些资源当前被其他线程或进程占用。
• 不可剥夺（No Preemption）：已经分配给线程或进程的资源，在没有释放之前不能被其他线程或进程强行抢占。只有线程或进程自己释放资源，其他线程才能获得资源。
• 循环等待（Circular Wait）：存在一个资源的等待链，其中每个线程或进程都在等待下一个线程或进程所持有的资源，形成一个闭环。

（2）死锁的解决方法

• 破坏循环等待条件
  资源的顺序分配：最常见的解决方法是对资源加锁时，按照一定的顺序来申请资源，避免出现循环等待。例如，为每个资源分配一个唯一的编号，然后线程总是按照资源编号的顺序来申请资源。如果线程按顺序申请资源，就不会出现循环等待的情况。
• 破坏占有且等待条件
  一次性申请所有资源：要求线程在执行时一次性申请它需要的所有资源，而不是在持有一部分资源时，再去申请其他资源。这样可以避免线程在持有部分资源的同时等待其他资源，从而避免占有且等待条件。
• 破坏非抢占条件
  抢占资源：当线程申请资源失败时，系统可以强制剥夺线程持有的资源并将其返回给资源池。被抢占的线程可以在稍后重新尝试获取资源。这种方法通过破坏非抢占条件来避免死锁。
• 破坏互斥条件
  使用共享资源：通过将资源的互斥性降低，即允许多个线程共享资源，来避免死锁。比如，对于读写操作，可以使用 读写锁，使得多个线程可以同时读取共享资源，但写操作仍然是独占的。此方法只适用于资源可以共享的场景，通常是读取操作较多的情况。
• 银行家算法
  详情可见 银行家算法：死锁避免的经典策略

1.3 资源限制的挑战

（1）资源限制的定义

资源限制是指硬件或软件资源（如带宽、CPU、内存、数据库连接数等）的限制，可能会影响程序并发执行的效果。资源限制可能导致并发执行时，程序反而执行更慢。

（2）资源限制引发的问题

• 如果并发的代码段依赖于硬件或软件资源，过多的线程会使得程序反而变慢。例如：
  • 带宽限制：如果有多个线程同时下载文件，而带宽有限，线程多了反而会因为等待带宽而导致执行时间变长。
  • 数据库连接数限制：如果数据库的连接数有限，而线程数过多，则会因为线程被阻塞等待连接，导致程序性能下降。

（3）解决资源限制的方法

• 硬件资源限制：使用集群并行执行任务，分布式计算框架如Hadoop、ODPS等可以有效利用多台机器的资源。
• 软件资源限制：使用资源池技术，复用数据库连接池或Socket连接池。

（4）在资源限制下的并发编程

根据资源限制调整并发度。例如，在文件下载程序中，既依赖带宽又依赖硬盘读写速度。如果带宽有限，增加过多线程不会加速下载，反而可能导致过度的上下文切换，增加执行时间。