Java并發(fā)編程一直是Java程序員必須懂但又是很難懂的技術(shù)內(nèi)容。這里不僅僅是指使用簡單的多線程編程，或者使用juc的某個(gè)類。當(dāng)然這些都是并發(fā)編程的基本知識(shí)，除了使用這些工具以外，Java并發(fā)編程中涉及到的技術(shù)原理十分豐富。
于是乎，就誕生了想寫點(diǎn)東西記錄下，以提升理解和對(duì)并發(fā)編程的認(rèn)知。為什么需要用到并發(fā)?凡事總有好壞兩面，之間的trade-off是什么，也就是說并發(fā)編程具有哪些挑戰(zhàn)?以及在進(jìn)行并發(fā)編程時(shí)應(yīng)該了解和掌握的概念是什么?并發(fā)編程的三大特性是什么?這篇文章主要以這四個(gè)問題來談一談。
一.為什么要用到并發(fā)
一直以來，硬件的發(fā)展極其迅速，也有一個(gè)很著名的"摩爾定律"，可能會(huì)奇怪明明討論的是并發(fā)編程為什么會(huì)扯到了硬件的發(fā)展，這其中的關(guān)系應(yīng)該是多核CPU的發(fā)展為并發(fā)編程提供的硬件基礎(chǔ)。摩爾定律并不是一種自然法則或者是物理定律，它只是基于認(rèn)為觀測數(shù)據(jù)后，對(duì)未來的一種預(yù)測。按照所預(yù)測的速度，我們的計(jì)算能力會(huì)按照指數(shù)級(jí)別的速度增長，不久以后會(huì)擁有超強(qiáng)的計(jì)算能力，正是在暢想未來的時(shí)候，2004年，Intel宣布4GHz芯片的計(jì)劃推遲到2005年，然后在2004年秋季，Intel宣布徹底取消4GHz的計(jì)劃，也就是說摩爾定律的有效性超過了半個(gè)世紀(jì)戛然而止。但是，聰明的硬件工程師并沒有停止研發(fā)的腳步，他們?yōu)榱诉M(jìn)一步提升計(jì)算速度，而不是再追求單獨(dú)的計(jì)算單元，而是將多個(gè)計(jì)算單元整合到了一起，也就是形成了多核CPU。短短十幾年的時(shí)間，家用型CPU,比如Intel i7就可以達(dá)到4核心甚至8核心。而專業(yè)服務(wù)器則通?？梢赃_(dá)到幾個(gè)獨(dú)立的CPU，每一個(gè)CPU甚至擁有多達(dá)8個(gè)以上的內(nèi)核。因此，摩爾定律似乎在CPU核心擴(kuò)展上繼續(xù)得到體驗(yàn)。因此，多核的CPU的背景下，催生了并發(fā)編程的趨勢，通過 并發(fā)編程的形式可以將多核CPU的計(jì)算能力發(fā)揮到極致，性能得到提升 。
頂級(jí)計(jì)算機(jī)科學(xué)家Donald Ervin Knuth如此評(píng)價(jià)這種情況：在我看來，這種現(xiàn)象(并發(fā))或多或少是由于硬件設(shè)計(jì)者無計(jì)可施了導(dǎo)致的，他們將摩爾定律的責(zé)任推給了軟件開發(fā)者。
另外，在特殊的業(yè)務(wù)場景下先天的就適合于并發(fā)編程。比如在圖像處理領(lǐng)域，一張1024X768像素的圖片，包含達(dá)到78萬6千多個(gè)像素。即時(shí)將所有的像素遍歷一邊都需要很長的時(shí)間，面對(duì)如此復(fù)雜的計(jì)算量就需要充分利用多核的計(jì)算的能力。又比如當(dāng)我們?cè)诰W(wǎng)上購物時(shí)，為了提升響應(yīng)速度，需要拆分，減庫存，生成訂單等等這些操作，就可以進(jìn)行拆分利用多線程的技術(shù)完成。 面對(duì)復(fù)雜業(yè)務(wù)模型，并行程序會(huì)比串行程序更適應(yīng)業(yè)務(wù)需求，而并發(fā)編程更能吻合這種業(yè)務(wù)拆分 。正是因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)，使得多線程技術(shù)能夠得到重視，也是一名Java學(xué)習(xí)者應(yīng)該掌握的：
充分利用多核CPU的計(jì)算能力;
方便進(jìn)行業(yè)務(wù)拆分，提升應(yīng)用性能
二. 并發(fā)編程有哪些挑戰(zhàn)
多線程技術(shù)有這么多的好處，難道就沒有一點(diǎn)缺點(diǎn)或者挑戰(zhàn)么，就在任何場景下就一定適用么?很顯然不是。
2.1 頻繁的上下文切換
時(shí)間片是CPU分配給各個(gè)線程的時(shí)間，因?yàn)闀r(shí)間非常短，所以CPU不斷通過切換線程，讓我們覺得多個(gè)線程是同時(shí)執(zhí)行的，時(shí)間片一般是幾十毫秒。而每次切換時(shí)，需要保存當(dāng)前的狀態(tài)起來，以便能夠進(jìn)行恢復(fù)先前狀態(tài)，而這個(gè)切換時(shí)非常損耗性能，過于頻繁反而無法發(fā)揮出多線程編程的優(yōu)勢。通常減少上下文切換可以采用無鎖并發(fā)編程，CAS算法，使用最少的線程和使用協(xié)程。
無鎖并發(fā)編程：可以參照concurrentHashMap鎖分段的思想，不同的線程處理不同段的數(shù)據(jù)，這樣在多線程競爭的條件下，可以減少上下文切換的時(shí)間。
CAS算法：利用Atomic下使用CAS算法來更新數(shù)據(jù)，使用了樂觀鎖，可以有效的減少一部分不必要的鎖競爭帶來的上下文切換
使用最少線程：避免創(chuàng)建不需要的線程，比如任務(wù)很少，但是創(chuàng)建了很多的線程，這樣會(huì)造成大量的線程都處于等待狀態(tài)
協(xié)程：在單線程里實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的調(diào)度，并在單線程里維持多個(gè)任務(wù)間的切換
由于上下文切換也是個(gè)相對(duì)比較耗時(shí)的操作，所以在"java并發(fā)編程的藝術(shù)"一書中有過一個(gè)實(shí)驗(yàn)，并發(fā)累加未必會(huì)比串行累加速度要快。 可以使用Lmbench3測量上下文切換的時(shí)長 vmstat測量上下文切換次數(shù)
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