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并發編程 - 探索一

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摘要：并發表示在一段時間內有多個動作存在。并發帶來的問題在享受并發編程帶來的高性能高吞吐量的同時，也會因為并發編程帶來一些意想不到弊端。并發過程中多線程之間的切換調度，上下文的保存恢復等都會帶來額外的線程切換開銷。

0x01 什么是并發

要理解并發首選我們來區分下并發和并行的概念。

并發：表示在一段時間內有多個動作存在。 
并行：表示在同一時間點有多個動作同時存在。

例如：
此刻我正在寫博客，但是我寫著寫著停下來吃一下東西（菠蘿片）再寫、再吃。這兩個動作在一段時間內都在發生著，這可以理解為并發。
另一方面我在寫這個博客的同時我在聽音樂。那么同時存在的兩個動作（寫博客、聽音樂）是同時在發生的這就是所謂的并行。

從上面兩個概念明顯可以感受到并發是包含并行操作。所以我們通常說的并發編程對于cpu來說有可能是并發的在執行也有可能是交替的在執行。

說到這里你可能會問為什么我們需要并發編程？
在求解單個問題的時候凡是涉及多個執行流程的編程模式都叫并發編程。

0x02 為什么需要并發

硬件的發展推動軟件的進度，多核時代的到來

應用系統對性能和吞吐量的苛刻要求

大數據時代的到來

移動互聯網、云計算對計算體系的沖擊

0x03 并發編程方式

Java：多進程/多線程的并發實現方式

Go：協程--用戶態實現的多線程方式（goroutine）

Java并發模型

在介紹java并發模型前我們來介紹下系統對多線程的實現方式。系統支持用戶態線程和內核態兩種線程的實現方式，內核態線程是cpu去調度的最小單位，所以這牽涉到用戶態線程和內核態線程之間的映射關系，用戶態線程：內核態線程 = 1:1 、 N:1 、 M:N。

1:1 這種映射關系充分利用多核的優勢，但是這種方式在用戶態進行線程切換的過程中都會涉及到內核態線程之間的切換，切換開銷大。（主要涉及內核線程運行時上下文的保存與恢復）
N:1 沒法充分利用多核的優勢，但是這種由于是用戶態的內存切換不涉及內核態線程之間的切換所以這種映射關系在線程之間切換代價小。
M:N 這種是上面兩種映射關系的結合體，集合了上面兩種映射關系的優勢，但是這也增加了線程之間這種映射關系的調度復雜度。

Java的并發編程模式是通過1:1這種映射關系來實現線程之間的并發調度。

Go并發模型

Go的并發模式是通過M:N這種方式來實現并發調度的。
Go調度器中有三種重要結構：M（posix thread）、P（調度上下文，一般數量設置為和機器內核數相同，這樣能充分發揮機器的并發性能）、G（goroutine）。

一個調度上下文可以包含多個Goroutine，多個上下文所以可以所有的Goroutine都能并發的運行在CPU的多核上面。
如果有Goroutine發現找不到調度上下文，就會被放到global runqueue中，等清閑的調度上下文來撈取它進行調度。
如果調度上下文上面掛載的所有Goroutine都已經執行完畢，此時他會去global runqueue中獲取Goroutine，如果發現此時沒有獲取到，則會去別的調度上文中搶Goroutine，一般一次搶都是搶此時被搶調度上下文的一半Goroutine，確保充分利用M去被多核調度。

0x04 并發帶來的問題

在享受并發編程帶來的高性能、高吞吐量的同時，也會因為并發編程帶來一些意想不到弊端。

資源的消耗，要管理這么多用戶線程、內核線程、用戶線程內核線程之間的切換調度，上下文等等這些都是由于引用了并發編程所帶來的額外消耗。

并發過程中多線程之間的切換調度，上下文的保存恢復等都會帶來額外的線程切換開銷。

編碼、測試的復雜性。和我們生活中的例子很相像，三五個人一起出去活動很容易把控，如果帶著幾十、上百人的團隊出去活動這些都會帶來額外的管理上的開銷。

真的是有陽關的地方就有黑暗啊！

上面這些都是我們沒法避免的一些問題，要引用并發編程必然會要付出點額外的代價才行。但是并發編程還帶來了一個不能忽視的問題，線程之間對同一資源的競爭訪問，造成內存對象狀態和自己的想象千差萬別。

Java線程和內存對象之間的交互

java線程對內存的理解分為兩部分：線程工作內存（每個線程獨有的）、共享內存也叫主內存（所有的線程所共有的），下面是java線程對內存中Count對象的一次修改操作。

從主線程中讀取Count對象放入線程工作內存，后面的讀取修改都在線程工作內存中，最后（更新到主內存的時間不是確定的，可能會插入別的操作在store、write之間）更新到主內存中。所有的上述操作都是順序執行的，但是不保證連續執行。

volatile變量、synchronized同步塊

volatile變量、synchronized塊執行結束后能保證每次去更新的值都會立即寫入到主內存中。
volatile變量很多人會認為這樣就是線程安全的，但是通過上面我們可以看到如果兩個線程同時去讀了一個volatile變量，最后一前一后更新到主內存中，這樣也會出現寫丟失的情況，所以volatile不能保證線程安全。

0x05 并發實戰

1) 定義線程池

private static final ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(20);

2)定義并發服務

CompletionService completionService = new 
      ExecutorCompletionService(executor);

3)提交并發任務

completionService.submit(new Callable() {
    @Override
    public void call() throws Exception {
        return ；
    }
});

4)等待并發結果

for (int i = 0; i < taskSize; ++i) {
    Future future = completionService.poll(TIME_OUT,
                    TimeUnit.SECONDS);
    Result result = future.get();
}

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