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【高並發】學好並發編程,關鍵是要理解這三個核心問題


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寫【高並發專題】有一段時間了,一些讀者朋友留言說,並發編程很難,學習了很多的知識,但是在實際工作中卻無從下手。對於一個線上產生的並發問題,又不知產生這個問題的原因究竟是什麼。對於並發編程,感覺上似乎是掌握了,但是真正用起來卻不是那麼回事!

其實,造成這種現象的本質原因就是沒有透徹的理解並發編程的精髓,而學好並發編程的關鍵是需要弄懂三個核心問題:分工、同步和互斥

分工

比較官方的解釋為:分工就是將一個比較大的任務,拆分成多個大小合適的任務,交給合適的線程去完成,強調的是性能。

如果你還不能夠理解什麼是分工,這裡,我們可以做一個假設。假設你是一個XXX上市公司的CEO,你的工作是如何管理好你的公司。但是,就如何管理好公司而言,涉及到的任務就比較多了,我們可以將其看做一個很大的任務,這個很大的任務,細看的話可以包括:人員招聘和管理、產品設計和開發、運營和推廣、公司稅務等等。那細化後這麼多的任務交給你一個人去做,想必你一定是崩潰的。即使你能夠挺住,估計你一個人把這所有的任務完成,那黃花菜也就涼了!到時,估計你就會偷偷的躲在角落裡唱“涼涼”了。 。 。

所以,如果你真的想管理好你的公司,你就需要將這些任務分解,分工細化,將人員招聘和管理的任務交給人力資源部門去完成,將產品的設計交給設計部門去完成,將產品的開發交給開發部門去完成,將運營和推廣交給運營和市場部門去完成,將公司稅務交給財務部門去完成。此時,你的任務就是及時了解各個部門的工作情況,統籌並協調各部門的工作,並思考如何規劃公司的未來。

其實,這裡你將管理公司的任務拆解、細化分工之後,你會發現,其實各部門之間的工作是並行執行的。比如:人力資源部門在管理員工的績效考核時,同時產品設計和開發部門正在設計和開發公司的產品,與此同時,公司的運營正在和設計與開發溝通如何更好的完善公司的產品,而推廣部門正在加大力度宣傳和推廣公司的產品。而財務部門正在統計和計算公司的各種財務報表等。一切都是那麼的有條不紊!

【高並發】學好並發編程,關鍵是要理解這三個核心問題 1

所以,安排合適的人去做合適的事情,在實際工作中是非常重要的。這映射到並發編程領域也是同樣的道理。如果將所有的任務交給一個線程執行,就好比將公司的所有事情交給你一個人去做一樣。等到把事情做完了,黃花菜也涼了。所以,在並發編程中,我們同樣需要將任務進行拆解,分工給合適的線程去完成。

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在並發編程領域,還需要注意一個問題就是:分工給合適的線程去做。也就是說,應該主線程執行的任務不要交給子線程去做,否則,是解決不了問題的。這就好比一家公司的CEO將如何規劃公司的未來交給一個產品開發人員去做一樣,這不僅不能規劃好公司的未來,甚至會與公司的價值觀背道而馳。

在JavaSDK中的:Executor、Fork/Join和Future都是實現分工的一種方式。

同步

在並發編程中的同步,主要指的是一個線程執行完任務後,如何通知其他的線程繼續執行,強調的是性能。

將任務拆分,並且合理的分工給了每個人,接下來就是如何同步每個人的任務了。

假設小明是一名前端開發人員,他渲染頁面的數據需要等待小剛的接口完成,而小剛寫接口又需要等待小李的服務開發完成。也就是說,任務之間是存在依賴關係的,前面的任務完成後,才能進行後面的任務。

對於實際工作中,這種任務的同步,大多數靠的是人與人之間的溝通,小李的服務寫完了,告訴小剛,小剛則馬上進行接口開發,等小剛的接口開發完成後,又告訴了小明,小明馬上調用接口將返回的數據渲染在頁面上。

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這種同步機制映射到並發編程領域,就是一個線程的任務執行完畢之後,通知其他的後續線程執行任務。

對於這種線程之間的同步,我們可以使用下面的if 偽代碼來表示。

if(前面的任务完成){
执行当前任务
}else{
继续等待前面任务的执行
}

如果為了更能夠及時的判斷出前面的任務是否已經完成,我們也可以使用while 偽代碼來表示。

while(前面的任务未完成){
继续等待前面任务的执行
}
执行当前任务

上述偽代碼表示的意義是相同的:當線程執行的條件不滿足時,線程需要繼續等待,一旦條件滿足,就需要喚醒等待的線程繼續執行。

在並發編程領域,一個典型的場景就是生產者-消費者模型。當隊列滿時,生產者線程需要等待,隊列不滿時,需要喚醒生產者線程;當隊列為空時,消費者線程需要等待,隊列不空時,需要喚醒消費者。我們可以使用下面的偽代碼來表示生產者-消費者模型。

生產者

while(队列已满){
生产者线程等待
}
唤醒生产者

消費者

while(队列为空){
消费者等待
}
唤醒消费者

在Java的SDK中,提供了一些實現線程之間同步的工具類,比如說:CountDownLatch、 CyclicBarrier 等。

互斥

同一時刻,只允許一個線程訪問共享變量,強調的是線程執行任務的正確性。

在並發編程領域,分工和同步強調的是執行任務的性能,而線程之間的互斥則強調的是線程執行任務的正確性,也就是線程的安全問題。如果多個線程同時訪問同一個共享變量,則可能會發生意想不到的後果,而這種意想不到的後果主要是由線程的可見性、原子性和有序性問題產生的。而解決可見性、原子性和有序性問題的核心,就是互斥。

關於互斥,我們可以用現實中的一個場景來描述:多個岔路口的車輛需要匯入一條道路中,而這條道路一次只能允許通過一輛車,此時,車輛就需要排隊依次進入路口。

Java中提供的synchronized、Lock、ThreadLocal、final關鍵字等都可以解決互斥的問題。

例如,我們以synchronized為例來說明如何進行線程間的互斥,偽代碼如下所示。

//修饰方法
public synchronized void xxx(){

}
//修饰代码块
public void xxx(){
synchronized(obj){

}
}
//修饰代码块
public void xxx(){
synchronized(XXX.class){

}
}
//修饰静态方法
public synchronized static void xxx(){

}

總結

並發編程旨在最大限度的利用計算機的資源,提高程序執行的性能,這需要線程之間的分工和同步來實現,在保證性能的同時,又需要保證線程的安全,這就又需要保證線程之間的互斥性。而並發編程的難點問題,往往又是由可見性、原子性和有序性問題導致的。所以,我們在學習並發編程時,一定要先弄懂線程之間的分工、同步和互斥。

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