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并发编程入门:初探多任务处理技术

并发编程入门:探索多任务处理技术并发编程是指在单个处理器上高效地管理多个任务的执行过程。其核心在于通过合理分配和协调任务,提高系统的整体性能。主要应用场景包括:1)将复杂任务分解为多个子任务,并分配给不同的线程,实现并行处理;2)通过同步机制确保线程间协调一致,避免资源竞争和数据不一致问题。此外,理解并发编程还涉及锁机制、线程池和异步编程等关键技术。

什么是并发编程

简单的说,所谓的并发编程指的是同一台处理器“同时”处理多个任务。

并发的三种场景

1、分工

      合理的拆解不同的任务,并能分配到线程,使多个任务更高效的执行。

2、同步

      线程的执行依赖其他线程的执行结果。

3、互斥

      多个线程需要抢占共享资源。

并发问题的源头

多线程的出现虽然可以提高应用程序的执行效率,但是不可避免的,也会引入一些问题,这些问题的源头如下:

1、缓存带来的可见性问题

     由于CPU的读写速度远远大于内存的读写速度,故CPU利用缓存来缓和CPU和内存读写速度差异带来的问题;

     对于多核处理器,每个核都有独立的缓存,这样CPU在计算完数值后,将数值存入缓存,但是写到内存的时机是不确定的,因此会发生缓存可见性问题

     技术图片

             示例:如下程序,预期结果为20000,但实际执行结果为10000~20000之间

public class Add {
    private static long count = 0;
    
    public static long testAdd() throws InterruptedException {
        Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i <10000; i++) {
                    count ++;
                }
            }
        });

        Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i <10000; i++) {
                    count ++;
                }
            }
        });

        thread1.start();
        thread2.start();

        thread1.join();
        thread2.join();

        return count;
    }
}

2、线程切换带来的原子性问题

      操作系统支持的最大线程数要远远大于操作系统核数,这是为了缓解CPU的IO速度差异,采用了分时复用机制。

      原子性问题的原因是:多线程操作共享变量时,一个线程还未对该变量操作完成,由于分时复用策略,另外一个线程获取了执行权,这个线程获取到的值有可能是错误的。

      常见的面试题:long型的变量在32位系统的高并发应用程序中,为什么会有线程安全问题?

      原因:long型变量是64位的,32位操作系统对long型变量赋值的操作步骤为:先对高32位赋值,再对低32位赋值;这样,如果中间发生了线程切换,就可能获取到错误的值

3、编译优化带来的有序性问题

      有序性问题是有编译器会对我们的指令进行优化重排序,这样不会影响最终的执行结果;但是有时还是会发生一些意想不到的问题;

      举例:单例模式下双重检查

public class Singleton {
    private static Singleton instance = null;
    
    public static Singleton getInstance() {
        if (null == instance) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (null == instance) {
                    instance = new Singleton();
                    return instance;
                }
            }
        }
        
        return instance;
    }
}

       第一层判空是为了避免加锁导致的性能问题;第二层判空是为了避免创建多个实例;这看起来并没有什么问题,但是由于编译器指令重排,可能会出现问题。

            正常创建实例的指令顺序为:分配内存--->内存初始化---->变量指向内存地址

            编译优化后指令顺序可能为:分配内存--->变量指向内存地址--->内存初始化

            如果线程执行到第二步的时候被剥夺执行权,另一个线程判空的结果为非空,从而直接返回了instance;由于此时instance未初始化,可能会导致空指针异常

     并发带来的三个问题

       1、安全性问题

             安全性问题的本质就是数据的正确性,为了保证线程安全,应该避免同一时刻不同线程操作共享数据。

       2、活跃性问题

            饥饿:由于线程优先级低等原因,可能会导致线程一直不能被执行

            死锁:线程竞争共享资源,并且互相持有对方的锁,造成多个线程一直等待,造成死锁。

            活锁:和死锁相反,活锁是由于“过于谦让”导致的问题;线程访问共享资源,发现另一个线程也需要访问共享资源,于是退出,等待重试;

                       另外的线程也是如此,因此出现活锁问题。

       3、性能问题 

             锁的过度使用,导致程序串行执行的范围过大,这样就违背了并发编程的优势;

             在实际应用中,应尽量减少不必要锁的使用,尽量减少串行

并发编程001 --- 初识并发


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墨尔本晴上残留的余温丶_856
这个家伙很懒,什么也没留下!
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