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Java中的多線(xiàn)程一定就快嗎?

瀏覽：95日期：2022-08-25 11:05:53

并發(fā)編程與多線(xiàn)程編程

要了解并發(fā)編程，首先要懂得與并行這個(gè)概念進(jìn)行區(qū)分。并行是指兩個(gè)事件同時(shí)進(jìn)行，并發(fā)是CPU切換速度快，看起來(lái)像是每個(gè)任務(wù)同時(shí)進(jìn)行一樣。多線(xiàn)程是實(shí)現(xiàn)并發(fā)編程的一種方式，假設(shè)一個(gè)場(chǎng)景，在廣州地鐵高峰時(shí)段，一群人涌進(jìn)地鐵里，在不同的閘機(jī)口刷卡進(jìn)去。在這個(gè)場(chǎng)景里，進(jìn)地鐵就是任務(wù)，每個(gè)人可以看出是并發(fā)的，而多個(gè)刷卡閘機(jī)口就是多線(xiàn)程。

并發(fā)編程的本質(zhì)目的是為了充分利用CPU，讓程序運(yùn)行得更快。然而，并不是啟動(dòng)更多的線(xiàn)程就能讓程序最大限度地并發(fā)執(zhí)行。在進(jìn)行并發(fā)編程時(shí)，如果希望通過(guò)多線(xiàn)程執(zhí)行任務(wù)讓程序運(yùn)行得更快，會(huì)面臨非常多的挑戰(zhàn)。比如上下文切換的問(wèn)題、死鎖的問(wèn)題，以及受限于硬件和軟件的資源限制問(wèn)題，下面就來(lái)嘮嗑嘮嗑這些因素。

上下文切換

原理分析

正如上面所言，并發(fā)與并行最大的區(qū)別就是，并發(fā)只是看起來(lái)像是并行。實(shí)際上是，CPU通過(guò)給每個(gè)線(xiàn)程分配時(shí)間來(lái)執(zhí)行這個(gè)線(xiàn)程的程序，只是這個(gè)時(shí)間非常短，通常是幾十毫秒，我們根本無(wú)法觀察到變化，感覺(jué)它們都是同時(shí)執(zhí)行的一樣。

CPU通過(guò)時(shí)間片分配算法來(lái)循環(huán)執(zhí)行任務(wù)，當(dāng)前任務(wù)執(zhí)行一個(gè)時(shí)間片后會(huì)切換到下一個(gè)任務(wù)。但是，在切換前會(huì)保存上一個(gè)任務(wù)的狀態(tài)，以便下次切換回這個(gè)任務(wù)時(shí)，可以再加載這個(gè)任務(wù)的狀態(tài)。所以任務(wù)從保存到再加載的過(guò)程就是一次上下文切換。因此，不難得知，上下文切換需要耗費(fèi)不少時(shí)間。

再來(lái)假設(shè)一個(gè)場(chǎng)景，一個(gè)人去火車(chē)站買(mǎi)票，買(mǎi)票的窗口有十來(lái)個(gè)那么多。買(mǎi)票的人并不知道哪個(gè)窗口可以買(mǎi)到票，只能挨個(gè)地問(wèn)，最后終于在最后一個(gè)窗口買(mǎi)到了。這個(gè)場(chǎng)景，看似買(mǎi)票的過(guò)程很長(zhǎng)，其實(shí)大部分時(shí)間都在切換窗口上，這也就是上下文切換的問(wèn)題所在。因此，并非線(xiàn)程數(shù)多就一定執(zhí)行得快，要選擇與任務(wù)相適應(yīng)的線(xiàn)程數(shù)才是最佳方案。

測(cè)試代碼

package Concurrency;/** * @author RuiMing Lin * @date 2020-03-28 12:19 */public class Demo1 { public static void main(String[] args) { System.out.println('萬(wàn)級(jí)循環(huán)：'); concurrency(10000); serial(10000); System.out.println('--------------------------華麗分隔符--------------------------------'); System.out.println('十萬(wàn)級(jí)循環(huán)：'); concurrency(100000); serial(100000); System.out.println('--------------------------華麗分隔符--------------------------------'); System.out.println('百萬(wàn)級(jí)循環(huán)：'); concurrency(1000000); serial(1000000); System.out.println('--------------------------華麗分隔符--------------------------------'); System.out.println('千萬(wàn)級(jí)循環(huán)：'); concurrency(10000000); serial(10000000); System.out.println('--------------------------華麗分隔符--------------------------------'); System.out.println('億級(jí)循環(huán)：'); concurrency(100000000); serial(100000000); } private static void concurrency(long count){ // 開(kāi)啟三個(gè)線(xiàn)程執(zhí)行三個(gè)循環(huán) long start = System.currentTimeMillis(); new Thread(new Runnable() { @Override public void run() {int a = 0;for (long i = 0; i < count; i++) { a++;} } }).start(); new Thread(new Runnable() { @Override public void run() {int b = 0;for (long i = 0; i < count; i++) { b++;} } }).start(); new Thread(new Runnable() { @Override public void run() {int c = 0;for (long i = 0; i < count; i++) { c++;} } }).start(); long end = System.currentTimeMillis(); long time = end - start; System.out.println('并行執(zhí)行花費(fèi)時(shí)間為：' + time + 'ms'); } private static void serial(long count){ // 三個(gè)循環(huán)順序執(zhí)行 long start = System.currentTimeMillis(); int a = 0; int b = 0; int c = 0; for (int i = 0; i < count; i++) { a++; } for (int i = 0; i < count; i++) { b++; } for (int i = 0; i < count; i++) { c++; } long end = System.currentTimeMillis(); long time = end - start; System.out.println('串行執(zhí)行花費(fèi)時(shí)間為：' + time + 'ms'); }}

結(jié)果輸出：

萬(wàn)級(jí)循環(huán)：并行執(zhí)行花費(fèi)時(shí)間為：4ms 串行執(zhí)行花費(fèi)時(shí)間為：1ms

--------------------------華麗分隔符--------------------------------

十萬(wàn)級(jí)循環(huán)：并行執(zhí)行花費(fèi)時(shí)間為：1ms 串行執(zhí)行花費(fèi)時(shí)間為：4ms

--------------------------華麗分隔符--------------------------------

百萬(wàn)級(jí)循環(huán)：并行執(zhí)行花費(fèi)時(shí)間為：1ms 串行執(zhí)行花費(fèi)時(shí)間為：10ms

--------------------------華麗分隔符--------------------------------

千萬(wàn)級(jí)循環(huán)：并行執(zhí)行花費(fèi)時(shí)間為：1ms 串行執(zhí)行花費(fèi)時(shí)間為：36ms

--------------------------華麗分隔符--------------------------------

億級(jí)循環(huán)：并行執(zhí)行花費(fèi)時(shí)間為：1ms 串行執(zhí)行花費(fèi)時(shí)間為：357ms

分析結(jié)果：

當(dāng)數(shù)量級(jí)在萬(wàn)級(jí)時(shí)，串行是比并發(fā)要快的，當(dāng)數(shù)量級(jí)來(lái)到十萬(wàn)以后，串行便顯得力不從心了。所以，可以認(rèn)為當(dāng)程序執(zhí)行量不夠大時(shí)，是沒(méi)必要開(kāi)啟多線(xiàn)程的。

如何減少上下文切換

減少上下文切換的方法有無(wú)鎖并發(fā)編程、CAS算法、使用最少線(xiàn)程和使用協(xié)程。

無(wú)鎖并發(fā)編程。多線(xiàn)程競(jìng)爭(zhēng)鎖時(shí)，會(huì)引起上下文切換，所以多線(xiàn)程處理數(shù)據(jù)時(shí)，可以用一些辦法來(lái)避免使用鎖，如將數(shù)據(jù)的ID按照Hash算法取模分段，不同的線(xiàn)程處理不同段的數(shù)據(jù)。 CAS算法。Java的Atomic包使用CAS算法來(lái)更新數(shù)據(jù)，而不需要加鎖。使用最少線(xiàn)程。避免創(chuàng)建不需要的線(xiàn)程，比如任務(wù)很少，但是創(chuàng)建了很多線(xiàn)程來(lái)處理，這樣會(huì)造成大量線(xiàn)程都處于等待狀態(tài)。協(xié)程：在單線(xiàn)程里實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的調(diào)度，并在單線(xiàn)程里維持多個(gè)任務(wù)間的切換。

死鎖

原理分析

死鎖，是指多個(gè)線(xiàn)程在運(yùn)行過(guò)程中因爭(zhēng)奪相同資源而造成的一種僵局，當(dāng)進(jìn)程處于這種僵持狀態(tài)時(shí)，它們都將無(wú)法再向前推進(jìn)，此時(shí)程序就處于癱瘓狀態(tài)，無(wú)法執(zhí)行。通常情況下，是多個(gè)線(xiàn)程共同競(jìng)爭(zhēng)同一把鎖對(duì)象，而其中一個(gè)線(xiàn)程獲得鎖之后發(fā)生異常等未來(lái)得及釋放鎖，導(dǎo)致其它線(xiàn)程一直在等待，無(wú)法運(yùn)行。

測(cè)試代碼

package Concurrency;/** * @author RuiMing Lin * @date 2020-03-28 13:14 */public class Demo2 { private static String str1 = 'A'; private static String str2 = 'B'; public static void main(String[] args) { new Thread(new Runnable() { @Override public void run() {synchronized (str1){ System.out.println('第一個(gè)線(xiàn)程獲得str1'); try { Thread.currentThread().sleep(2000); }catch (InterruptedException e){ e.printStackTrace(); } synchronized (str2){ System.out.println('第一個(gè)線(xiàn)程獲得str2'); }} } }).start(); new Thread(new Runnable() { @Override public void run() {synchronized (str2){ System.out.println('第二個(gè)線(xiàn)程獲得str2'); try { Thread.currentThread().sleep(2000); }catch (InterruptedException e){ e.printStackTrace(); } synchronized (str1){ System.out.println('第二個(gè)線(xiàn)程獲得str1'); }} } }).start(); }}